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KR20230131181A - New powder, method for additive manufacturing of parts made from the new powder, and articles made therefrom - Google Patents

New powder, method for additive manufacturing of parts made from the new powder, and articles made therefrom Download PDF

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KR20230131181A
KR20230131181A KR1020237020591A KR20237020591A KR20230131181A KR 20230131181 A KR20230131181 A KR 20230131181A KR 1020237020591 A KR1020237020591 A KR 1020237020591A KR 20237020591 A KR20237020591 A KR 20237020591A KR 20230131181 A KR20230131181 A KR 20230131181A
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KR
South Korea
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alloyed
weight
alloy
powder
based powder
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KR1020237020591A
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Korean (ko)
Inventor
프리스크 카린
스벤 벤그트슨
라스 니보르크
메타 바라트
Original Assignee
회가내스 아베 (피유비엘)
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Publication date
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Abstract

본 발명은 적층 제조에 적합한 Al-기반 분말을 제공한다. 일 구현예에서, 분말은 3 중량% 내지 5.5 중량%의 Mn, 0.2 중량% 내지 2 중량%의 Zr, 0.1 중량% 내지 1.4 중량%의 Cr, 0 중량% 내지 2 중량%의 Mg, 총 최대 0.7 중량%의 Fe와 Si, 최대 0.7 중량%의 불가피 불순물로서의 O, 및 최대 0.5 중량%의 다른 불가피 불순물, 나머지 Al로 이루어진다. 본 발명은 또한 적층 제조 방법뿐만 아니라 적층 제조에 의해 제조된 물품에 관한 것이다.The present invention provides Al-based powders suitable for additive manufacturing. In one embodiment, the powder contains 3% to 5.5% Mn, 0.2% to 2% Zr, 0.1% to 1.4% Cr, 0% to 2% Mg, totaling up to 0.7%. It consists of Fe and Si in weight percent, O as an inevitable impurity up to 0.7 weight percent, and other inevitable impurities up to 0.5 weight percent, and the balance Al. The invention also relates to additive manufacturing methods as well as articles manufactured by additive manufacturing.

Description

신규한 분말, 신규한 분말로부터 제조된 부품의 적층 제조 방법 및 이로부터 제조된 물품New powder, method for additive manufacturing of parts made from the new powder, and articles made therefrom

본 발명은 합금으로부터 제조된 구성요소의 적층 제조(Additive Manufacturing; AM)에 사용하기에 적합한 신규한 알루미늄 합금에 관한 것이다.The present invention relates to a novel aluminum alloy suitable for use in additive manufacturing (AM) of components made from the alloy.

금속-기반 적층 제조는 항공우주 및 자동차 산업을 포함하는 많은 산업에 적용된다.Metal-based additive manufacturing has applications in many industries, including the aerospace and automotive industries.

알루미늄 합금은 다양한 적용에서 유용하다. 알루미늄 합금 제품은 일반적으로 형상 주조 또는 단조 공정을 통해 제조된다. 형상 주조는 일반적으로, 예컨대, 고압 다이, 영구 주형, 그린 및 드라이샌드, 인베스트먼트, 또는 플라스터 주조를 통해 용융 알루미늄 합금을 이의 최종 형태로 주조하는 것을 포함한다. 단조 제품은 일반적으로 용융 알루미늄 합금을 잉곳 또는 빌렛으로 주조함으로써 제조된다. 잉곳 또는 빌렛은 일반적으로 추가로 열간 가공되어, 때때로 냉간 가공되어 이의 최종 형태를 제조한다.Aluminum alloys are useful in a variety of applications. Aluminum alloy products are generally manufactured through shape casting or forging processes. Shape casting generally involves casting a molten aluminum alloy into its final form, such as through high pressure dies, permanent molds, green and dry sand, investment, or plaster casting. Forged products are generally manufactured by casting molten aluminum alloy into ingots or billets. The ingot or billet is generally further hot worked, and sometimes cold worked, to produce its final form.

알루미늄 합금은 합금 함량 및 의도된 공정에 따라 여러 시스템으로 나뉠 수 있다. 대부분의 Al-기반 주조 합금은 우수한 주조 성질을 갖는 약 12%의 Si에서 공융물을 형성하는 원소인 9 내지 12%의 Si를 함유한다. 주조 합금에 사용될 수 있는 다른 원소로는 Mg 및 Cu가 있다. 이들 원소의 첨가는 고용체에 의한 강화 및 금속간 화합물의 침전과 조합되는 우수한 주조 성질을 유지한다. 전형적인 예로는 Al-7Si-0.7Mg 및 A19Si-3Cu가 있다.Aluminum alloys can be divided into several systems depending on alloy content and intended processing. Most Al-based casting alloys contain 9 to 12% Si, the element forming a eutectic at about 12% Si, which has excellent casting properties. Other elements that can be used in casting alloys include Mg and Cu. The addition of these elements maintains excellent casting properties combined with strengthening by solid solution and precipitation of intermetallic compounds. Typical examples include Al-7Si-0.7Mg and A19Si-3Cu.

더 높은 강도에 도달하기 위해, 다른 합금화 원소를 이용하고 Si의 함량을 감소시킬 필요가 있다. 더 높은 강도를 갖는 단조 알루미늄 합금은 2000-, 6000- 및 7000-시리즈 합금으로 명명된다. 표 1 및 2는 일반적인 알루미늄 합금의 화학적 조성 및 기계적 성질을 보여준다.To reach higher strengths, it is necessary to use other alloying elements and reduce the content of Si. Forged aluminum alloys with higher strengths are named 2000-, 6000-, and 7000-series alloys. Tables 1 and 2 show the chemical composition and mechanical properties of common aluminum alloys.

표 1.Table 1.

Al-Cu 합금(2000-시리즈)Al-Cu alloy (2000-series)

이 그룹의 합금에서 Mg는 이차 첨가이다. 다른 원소로는 Mn, Cr 및 Zr이 있다. 주요 강도 기여는 금속간 상, 예를 들어, Al20Cu2Mn3, Al18Mg3Cr2 또는 AlZr3에 의한 용체 경화 및 침전 경화에 기인한다. 이러한 경화를 달성하기 위해, 고용체화 열처리가 수행되고, 이어서 시효 처리가 수행된다. 철 및 규소는 유해한 금속간 화합물을 형성하기 때문에 불순물로 간주된다. 잉곳 주조 동안 결정립 구조를 제어하기 위해 티타늄이 첨가될 수 있다. 이러한 그룹의 합금의 부식 성질은 다른 유형의 Al-합금에 비해 덜 바람직하다. 이들 합금으로부터 제조된 부품은 높은 강도 대 중량비를 가지며 150℃까지 사용될 수 있다. 합금은 일반적으로 용접될 수 없지만 우수한 기계가공성을 갖는다.In this group of alloys Mg is a secondary addition. Other elements include Mn, Cr, and Zr. The main strength contribution is due to solution hardening and precipitation hardening by intermetallic phases, for example Al 20 Cu 2 Mn 3 , Al 18 Mg 3 Cr 2 or AlZr 3 . To achieve this hardening, a solid solution heat treatment is performed, followed by an aging treatment. Iron and silicon are considered impurities because they form harmful intermetallic compounds. Titanium may be added to control grain structure during ingot casting. The corrosion properties of this group of alloys are less favorable compared to other types of Al-alloys. Parts made from these alloys have a high strength-to-weight ratio and can be used up to 150°C. The alloy generally cannot be welded but has excellent machinability.

Al-Mg-Si 합금(6000-시리즈)Al-Mg-Si alloy (6000-series)

이러한 그룹의 합금은 고강도 Al-합금의 워크 호스(work horse)이다. Mg 및 Si 첨가는 일반적으로 주요 침전물인 Mg2Si의 비율로 수행된다. 합금은 용체화 및 시효 처리를 필요로 하지만 2000- 및 7000-시리즈 합금의 강도 수준에 도달하지 않을 것이다. 그러나, 이들은 용접 가능하고 우수한 성형성, 압출성, 기계가공성 및 내식성을 나타낸다.This group of alloys is the work horse of high-strength Al-alloys. Mg and Si additions are generally carried out in the ratio of Mg 2 Si as the main precipitate. The alloy will require solution heat treatment and aging but will not reach the strength levels of the 2000- and 7000-series alloys. However, they are weldable and exhibit excellent formability, extrudability, machinability and corrosion resistance.

Al-Zn 합금(7000-시리즈)Al-Zn alloy (7000-series)

이러한 그룹의 합금은 Mg, Cu 및 Cr이 첨가된 주요 합금화 원소로서 Zn을 갖는다. 이들 원소는 매우 높은 강도로 용체화 및 시효 처리에 사용되는 금속간 상을 형성한다. 응력 부식 균열에 대한 저항성은 감소되고, 이들 물질은 종종 강도, 파괴 인성 및 내식성의 최상의 조합에 도달하기 위해 과시효 조건에서 사용된다.This group of alloys has Zn as the main alloying element with additions of Mg, Cu and Cr. These elements form intermetallic phases used in solution heat and aging treatments at very high strengths. Resistance to stress corrosion cracking is reduced, and these materials are often used under overaging conditions to reach the best combination of strength, fracture toughness and corrosion resistance.

상이한 그룹의 합금의 기계적 성질은 표 2에 요약되어 있다.The mechanical properties of different groups of alloys are summarized in Table 2.

표 2.Table 2.

부식은 그것이 작용하는 환경뿐만 아니라 물질에 의존한다는 점에서 시스템 성질이다. 그럼에도 불구하고, 합금의 거동에 대한 몇 가지 일반적인 예측을 하는 것이 가능하다. 알루미늄은 일반적으로 일반적인 부식 속도를 최소화하는 수동 산화물 층을 형성한다. 층이, 예를 들어, 침전물 또는 이종 금속 사이의 계면의 형태로 조성의 국부적 변화에 의해 파괴되는 경우, 틈새 부식, 공식 부식 또는 갈바닉 부식의 형태로 부식이 발생할 수 있다. 이들은 모두 매우 빠르고 심각한 파괴로 이어질 수 있는 공정이다. 합금화 원소가 fcc-매트릭스 중의 용액에 존재하는 알루미늄 합금은 일반적으로 모든 국부적 부식 형태에 대해 강한 저항성을 나타내는 반면, Cu 또는 Zn을 함유하는 침전물을 갖는 합금은 이와 관련하여 불량한 성능을 갖는다.Corrosion is a system property in that it depends on the material as well as the environment in which it operates. Nevertheless, it is possible to make some general predictions about the behavior of alloys. Aluminum typically forms a passive oxide layer that minimizes the general corrosion rate. If the layer is broken by local changes in composition, for example in the form of precipitates or interfaces between dissimilar metals, corrosion may occur in the form of crevice corrosion, pitting corrosion or galvanic corrosion. These are all processes that can lead to very rapid and severe destruction. Aluminum alloys in which the alloying elements are present in solution in the fcc-matrix generally show high resistance to all localized corrosion forms, whereas alloys with precipitates containing Cu or Zn perform poorly in this regard.

레이저 분말층 용융(laser powder bed fusion; LPBF) 공정에서, 레이저 빔이 분말층 위로 스캐닝되어, 미리 결정된 패턴으로 분말 입자를 용융시킨 후, 새로운 분말 층이 적용되고, 공정이 반복된다. 완전히 조밀한 부품을 제조하기 위해, 새로운 층의 분말 입자뿐만 아니라 이전에 형성된 층의 일부도 용융시킬 필요가 있다. 그렇게 함으로써, 층들 사이의 완전한 융합이 보장되고 다공도와 같은 임의의 결함이 제거될 수 있다. 레이저는 매우 빠르게 스캐닝되고(200 내지 7000 mm/s), 레이저 스폿은 작은데(40 내지 100 μm); 이는 형성된 용융 푸울이 매우 작고 물질이 액체 상태에 있는 시간이 매우 짧음을 의미한다(약 0.2 msec). 이들 제조 한계는 이용 가능한 짧은 상호작용 시간으로 인해 응고 동안 합금화 원소의 임의의 분리가 최소화되는 것을 보장하는 것을 목적으로 한다.In a laser powder bed fusion (LPBF) process, a laser beam is scanned over a powder bed, melting the powder particles in a predetermined pattern, then a new powder layer is applied, and the process is repeated. To manufacture a fully dense part, it is necessary to melt not only the powder particles of the new layer, but also some of the previously formed layers. By doing so, complete fusion between the layers can be ensured and any defects such as porosity can be eliminated. The laser scans very quickly (200 to 7000 mm/s) and the laser spot is small (40 to 100 μm); This means that the melt pool formed is very small and the time the material is in the liquid state is very short (about 0.2 msec). These manufacturing limits aim to ensure that any separation of alloying elements during solidification is minimized due to the short interaction time available.

그러나, 공정의 방향성 성질은 결정립과 아결정립 구조 둘 모두가 열원을 향해 방향성이 되도록 한다. 아결정립 형태는 수지상 또는 셀형이다. 구조는 전형적으로 빌딩 방향으로 매우 미세한 셀 구조를 갖는 큰 주상 결정립이다. 제작된 부품으로부터 추출된 대부분의 열은 부품을 통해 히트 싱크로 작용하는 빌드 플레이트로 빠져나가서, 응고 공정의 방향성 성질을 강화시킨다.However, the directional nature of the process causes both grain and subgrain structures to be oriented towards the heat source. The subcrystal grain shape is dendritic or cellular. The structure is typically large columnar grains with very fine cell structures in the building direction. Most of the heat extracted from the manufactured part escapes through the part to the build plate, which acts as a heat sink, enhancing the directional nature of the solidification process.

상기 기재된 전통적인 합금이 LPBF 공정에 항상 적합한 것은 아니다. 일반적으로 문제없이 LPBF에 채택될 수 있는 것은 오로지 주조 합금이다. A360.0은 결함이 거의 없이 매우 잘 인쇄되는 합금 및 산업 공정에 적합한 합리적인 공정 윈도우이다. 그러나, 이 물질은 제한된 강도만을 제공한다.The traditional alloys described above are not always suitable for the LPBF process. In general, it is only cast alloys that can be adopted for LPBF without problems. A360.0 is a reasonable process window suitable for alloys and industrial processes that print very well with few defects. However, this material provides only limited strength.

전통적인 제조 공정을 이용하여 충분한 강도에 도달한 합금은 LPBF 공정을 사용하여 심각한 결함 없이 가공하기가 훨씬 더 어렵다. 특히, 응고 거동은 바람직하지 않아 응고 동안 균열을 발생시킨다.Alloys that have reached sufficient strength using traditional manufacturing processes are much more difficult to machine without significant defects using the LPBF process. In particular, the solidification behavior is unfavorable, leading to cracking during solidification.

여러 발명자들이 이들 문제를 부분적으로 다루었다:Several inventors have partially addressed these problems:

EP0105595A2(Alcan)에는 Cr 1.5 내지 7.0 wt.%, Zr 0.5 내지 2.5 wt.%, Mn 0.25 내지 4.0 wt.%, 나머지 알루미늄 및 일반 불순물로 이루어진 알루미늄 합금이 개시되어 있다.EP0105595A2 (Alcan) discloses an aluminum alloy consisting of 1.5 to 7.0 wt.% of Cr, 0.5 to 2.5 wt.% of Zr, 0.25 to 4.0 wt.% of Mn, and the remainder of aluminum and general impurities.

또 다른 구현예에서, 조성 범위는 Cr 3.0 내지 5.5 wt.%, Zr 1.0 내지 2.0 wt.%, Mn 0.8 내지 2.0 wt.%, 나머지 Al 및 일반 불순물이다.In another embodiment, the composition ranges from 3.0 to 5.5 wt.% Cr, 1.0 to 2.0 wt.% Zr, 0.8 to 2.0 wt.% Mn, the balance Al and general impurities.

본 발명자들은 또한 적어도 1000℃/sec의 냉각 속도로 및 합금 첨가물의 벌크가 고용체에서 유지되는 연질 미립자를 생성하기에 충분히 빠르게 용융된 합금을 빠르게 응고시킴으로써 분말을 제조하는 방법을 개시한다.The inventors also disclose a method of making powders by rapidly solidifying the molten alloy at a cooling rate of at least 1000° C./sec and fast enough to produce soft particulates in which the bulk of the alloy additives remains in solid solution.

이와 같이 형성된 입자는 시효 경화를 달성하기 위해 300 내지 500℃의 온도에서 응고된다. 일례에서, 합금 A의 분말(Cr 5.25, Zr 1.75, Mn 1.75, 나머지 Al)은 가스 분무에 의해 생성된 후, 350℃에서 시트 롤링에 의해 생성되며, 이는 가시적인 침전물이 없는 구역 및 침전물이 있는 구역을 갖는 혼합 미세구조를 생성한다. 물질의 인장 강도는 588 MPa이고, 항복 강도는 530 MPa이고, 파단 신율은 6%이다.The particles thus formed are solidified at a temperature of 300 to 500° C. to achieve age hardening. In one example, the powder of Alloy A (Cr 5.25, Zr 1.75, Mn 1.75, remainder Al) is produced by gas atomization and then by sheet rolling at 350°C, which leaves areas without visible deposits and areas with deposits. Creates a mixed microstructure with zones. The tensile strength of the material is 588 MPa, the yield strength is 530 MPa, and the elongation at break is 6%.

CN 11659889 A에는 Mn: 1.00 wt.% 내지 10.00 wt.%, Mg: 0.01 wt.% 내지 3.00 wt.%, Si: 0.01 wt.% 내지 2.00 wt.%, Zr: 0.01 wt.% 내지 3.50 wt.%, Fe: 0.01 wt.% 내지 1.50 wt.%, 나머지 Al에 따른 조성을 갖는 고강도 알루미늄-망간 합금이 개시되어 있다.CN 11659889 A has Mn: 1.00 wt.% to 10.00 wt.%, Mg: 0.01 wt.% to 3.00 wt.%, Si: 0.01 wt.% to 2.00 wt.%, Zr: 0.01 wt.% to 3.50 wt. %, Fe: 0.01 wt.% to 1.50 wt.%, the remainder being Al. A high-strength aluminum-manganese alloy is disclosed.

WO2020/139427(HRL Laboratories)에는 적층 제조된 고온 알루미늄 합금, 및 이를 제조하기 위한 공급원료가 개시되어 있다. 개시된 공급원료는 알루미늄 함유 베이스 분말보다 작은 입도를 갖는 1 내지 20 중량%의 합금화 분말과 혼합된 80 내지 99 중량%의 알루미늄 함유 베이스 분말을 포함하는 분말 혼합물로 구성된다. 특정 구현예에서, 공급원료는 추가적인 합금 원소를 함유한다.WO2020/139427 (HRL Laboratories) discloses additively manufactured high temperature aluminum alloys and feedstocks for producing them. The disclosed feedstock consists of a powder mixture comprising 80 to 99 weight percent of an aluminum-containing base powder mixed with 1 to 20 weight percent of an alloyed powder having a particle size smaller than the aluminum-containing base powder. In certain embodiments, the feedstock contains additional alloying elements.

일례에서, 중량%로 다음 원소를 함유하는 가스 분무된 베이스 분말이 개시된다: Al 92, 6, Cu 6.7, Mn 0.35, Ti 0.24. 선택적 레이저 용융에 적합한 입도 분포를 갖는 베이스 분말; D10=15 마이크론, D50=27 마이크론 및 D90=44 마이크론. 베이스 분말은 2 중량%의 함량으로 0.5 내지 1.5 마이크론의 평균 입도를 갖는 지르코늄 분말과 혼합된다.In one example, a gas atomized base powder is disclosed containing the following elements in weight percent: Al 92, 6, Cu 6.7, Mn 0.35, Ti 0.24. A base powder having a particle size distribution suitable for selective laser melting; D10=15 microns, D50=27 microns and D90=44 microns. The base powder is mixed with zirconium powder having an average particle size of 0.5 to 1.5 microns at a content of 2% by weight.

WO2018/009359A1(NanoAl)에는 고강도 및 연성, 우수한 내식성 및 용접성을 갖는 알루미늄 합금 패밀리가 개시되어 있다.WO2018/009359A1 (NanoAl) discloses an aluminum alloy family with high strength and ductility, excellent corrosion resistance and weldability.

여기에는 약 1 내지 10 중량%의 Mg, 0.45 내지 3 중량%의 Zr 및 나머지 Al을 포함하는 알루미늄 합금이 개시되어 있다. 상기 합금은 의도적으로 첨가된 스칸듐, 에르븀, 툴륨, 이테르븀 또는 루테튬을 완전히 함유하지 않는다.Disclosed herein are aluminum alloys comprising about 1 to 10 weight percent Mg, 0.45 to 3 weight percent Zr, and the balance Al. The alloy is completely free of intentionally added scandium, erbium, thulium, ytterbium or lutetium.

또 다른 구현예에서, Mg 및 4족 원소 Ti, Zr 및 Hf, 5B족 원소 V, Nb, Ta, 6B족 원소 Cr, Mo 및 W, 나머지 Al로부터의 적어도 하나의 원소를 포함하는 알루미늄 합금이 개시되어 있다. 의도적으로 첨가된 스칸듐, 에르븀, 툴륨, 이테르븀 또는 루테튬을 완전히 함유하지 않는 합금으로서, 여기서 합금은 약 3 nm 내지 약 50 nm 범위의 평균 직경을 갖는 알루미늄 매트릭스에 나노-규모 알루미늄-전이 이온 금속 침전물을 포함하고, 전이 금속은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo 및 W의 군으로부터 선택된다.In another embodiment, an aluminum alloy comprising Mg and at least one element from group 4 elements Ti, Zr and Hf, group 5B elements V, Nb, Ta, group 6B elements Cr, Mo and W, the remainder Al is disclosed. It is done. An alloy completely free of intentionally added scandium, erbium, thulium, ytterbium, or lutetium, wherein the alloy contains nano-scale aluminum-transition ion metal precipitates in an aluminum matrix having an average diameter ranging from about 3 nm to about 50 nm. and the transition metal is selected from the group of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo and W.

Scalmalloy / Al-Mg-Sc 합금은 최근에 레이저 분말층 융합 공정을 위해 개발되었다.Scalmalloy/Al-Mg-Sc alloy was recently developed for laser powder bed fusion process.

EP3165620A1 및 EP3181711A1(Airbus Defense and Space GmbH)에는 고강도, 연신율 및 경도가 레이저 분말층 융합 가공에 의해 달성될 수 있음을 교시되어 있다. 제조된 부품은 결함이 없고 높은 내식성을 나타낸다. 이 발명은 고가이고 희귀한 희토류 원소인 스칸듐의 사용을 기반으로 한다.EP3165620A1 and EP3181711A1 (Airbus Defense and Space GmbH) teach that high strength, elongation and hardness can be achieved by laser powder bed fusion processing. The manufactured parts are defect-free and exhibit high corrosion resistance. The invention is based on the use of scandium, an expensive and rare rare earth element.

분말형 알루미늄-합금으로부터 형성된 물체의 적층 제조(AM)는 오늘날 고강도 물체를 제조하기에 적합한 합금 분말의 부족으로 인해 제한된다. 대부분의 이용 가능한 고강도 Al-합금 조성물은 주조를 위해 개발되었고, 예를 들어, 레이저 분말층 융합에 의해 AM용 분말의 형태로 사용되었으며, 형성된 물체는 균열이 발생하기 쉽다. 레이저 분말층 융합에 사용되는 일부 새로 개발된 알루미늄 합금은 균열이 없는 물체의 제조를 가능하게 하는 것으로 여겨진다.Additive manufacturing (AM) of objects formed from powdered aluminum-alloys is limited today by the lack of alloy powders suitable for manufacturing high-strength objects. Most available high-strength Al-alloy compositions have been developed for casting and used in the form of powders for AM, for example, by laser powder bed fusion, and the formed objects are prone to cracking. Some newly developed aluminum alloys used in laser powder bed fusion are believed to enable the production of crack-free objects.

따라서, 제조 공정을 방해하는 과도한 침전물을 형성시키지 않으면서, 예를 들어, 분무에 의해 균질한 용융물로부터 제조될 수 있는 알루미늄 분말 합금이 필요하다. 또한, 이러한 분말은 인쇄된 상태의 및 열처리 후 LPBF와 같은 AM 공정을 통해 고강도를 갖는 균열이 없는 물체를 형성시키기에 적합할 것이다.There is therefore a need for an aluminum powder alloy that can be produced from a homogeneous melt, for example by spraying, without forming excessive precipitates that interfere with the manufacturing process. Additionally, these powders would be suitable for forming crack-free objects with high strength through AM processes such as LPBF, both as printed and after heat treatment.

본 발명의 목적은 균열이 없는 물품의 적층 제조에 적합한, 특히 레이저 분말층 융합, LPBF에 사용하기에 적합한 알루미늄 분말을 제공하는 것이다. 합금 조성물은 완전히 예비-합금 분말로서 제조될 수 있어서, 입자 및 불균일한 분말 조성물의 분리를 피하고, 고가의 합금화 희토류 원소 및 구리를 함유하지 않을 수 있다. 특히, 본 발명의 합금은 스칸듐, 에르븀, 툴륨, 이테르븀 또는 루테튬과 같은 의도적으로 첨가된 희토류 금속을 완전히 함유하지 않고, 의도적으로 첨가된 Cu를 함유하지 않을 것이다. 이러한 목적은 본 발명의 첫 번째 일 양태에서 충족된다.The object of the present invention is to provide an aluminum powder suitable for the additive manufacturing of crack-free articles, in particular for use in laser powder bed fusion, LPBF. The alloy composition can be prepared entirely as a pre-alloy powder, avoiding separation of particles and non-uniform powder composition, and can be free of expensive alloying rare earth elements and copper. In particular, the alloy of the present invention will be completely free of intentionally added rare earth metals such as scandium, erbium, thulium, ytterbium or lutetium and will not contain intentionally added Cu. This object is met in a first aspect of the invention.

본 발명의 또 다른 목적은 분말로부터 제조된 물품으로서, 균열이 없고, 인쇄된 상태의 상태 및 열처리 후 둘 모두에서 높은 강도를 갖는 물품을 제공하는 것이다. 이러한 목적은 본 발명의 두 번째 양태에서 충족된다.Another object of the present invention is to provide articles made from powder, which are free of cracks and have high strength both as printed and after heat treatment. This object is met in the second aspect of the invention.

본 발명의 추가의 또 다른 목적은 분말로부터 제조된 물품의 적층 제조 방법을 제공하는 것이다. 제공된 방법은 강력하고, 소위 넓은 공정 윈도우, 즉, 인쇄된 물체의 성질에 영향을 미치지 않는 공정 파라미터의 변형을 갖는다. 이러한 목적은 본 발명의 세 번째 양태에서 충족된다.A further object of the present invention is to provide a method for additive manufacturing of articles made from powder. The provided method is robust and has a so-called wide process window, i.e. variations in process parameters that do not affect the properties of the printed object. This object is met in the third aspect of the invention.

또한, 크로뮴은 환경 오염물질이기 때문에, 일반적으로 및 특히 소비자 제품에 높은 수준의 크로뮴을 사용하는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명의 양태는 상기 요망되는 특성을 갖거나, 사용 시 상기 요망되는 특성을 제공하는 저크로뮴 Al-기반 합금을 제공하는 것이다.Additionally, because chromium is an environmental contaminant, the use of high levels of chromium in consumer products in general and in particular is undesirable. Accordingly, an aspect of the present invention is to provide a low chromium Al-based alloy that has the above desired properties or provides the above desired properties when used.

상기 언급된 목적은 첨부된 일련의 청구항에 제시된 이의 양태 및 구현예에 의해 달성된다. 본 발명의 양태는 하기 본 발명의 표제 개요 하에 요약된다.The above-mentioned object is achieved by the aspects and embodiments thereof as set forth in the appended claims. Aspects of the invention are summarized below under the heading Summary of the invention.

발명의 개요Summary of the invention

첫 번째 양태 및 구현예에서, 중량 기준으로 하기의 총 예비-합금 Al-기반 분말로 이루어진 적층 제조에 적합한 예비-합금 Al-기반 분말이 본원에 상세히 기재된다:In a first aspect and embodiment, described in detail herein are pre-alloyed Al-based powders suitable for additive manufacturing consisting of the following total pre-alloyed Al-based powders by weight:

3 내지 5.5 중량%의 Mn,3 to 5.5% by weight Mn,

0.2 내지 2 중량%의 Zr,0.2 to 2% by weight Zr,

0.2 내지 1.4 중량%의 Or,0.2 to 1.4% by weight Or,

0 내지 2 중량%의 Mg,0 to 2% by weight Mg,

총 최대 0.7 중량%의 Fe와 Si,Fe and Si totaling up to 0.7% by weight,

최대 0.7 중량%의 불가피한 불순물로서 0, 및 최대 0.5 중량%의 추가의 불가피한 불순물,0 as unavoidable impurities up to 0.7% by weight, and additional unavoidable impurities up to 0.5% by weight,

나머지 Al.The rest of Al.

이의 구현예에서, 제1항에 따른 예비-합금 Al-기반 분말로서, Zr의 함량이 0.3 내지 1.8 중량%인, 예비-합금 Al-기반 분말이 기재된다.In an embodiment thereof, a pre-alloyed Al-based powder according to claim 1, wherein the pre-alloyed Al-based powder has a Zr content of 0.3 to 1.8% by weight, is described.

이의 구현예에서, Cr의 함량이 0.3 내지 1.4 중량%인, 예비-합금 Al-기반 분말이 기재된다.In an embodiment thereof, a pre-alloyed Al-based powder is described, with a Cr content of 0.3 to 1.4% by weight.

이의 구현예에서, Fe와 Si의 총 함량이 최대 0.2 중량%인, 예비-합금 Al-기반 분말이 기재된다.In an embodiment thereof, a pre-alloyed Al-based powder is described, with a total content of Fe and Si of at most 0.2% by weight.

이의 구현예에서, 예비-합금 Al-기반 분말이 의도적으로 첨가된 Mg를 함유하지 않는, 예비-합금 Al-기반 분말이 기재된다. In an embodiment thereof, a pre-alloyed Al-based powder is described, wherein the pre-alloyed Al-based powder does not contain intentionally added Mg.

이의 구현예에서, 20℃ 미만의 방정식 (1)에 따른 응고 균열 감수성 지수 S를 갖는 예비-합금 Al-기반 분말이 기재된다.In an embodiment thereof, a pre-alloyed Al-based powder is described having a solidification cracking susceptibility index S according to equation (1) below 20°C.

이의 구현예에서, 10% 미만의 입자가 명시된 입도 범위 밖에 있는 ISO 13320-1 1999에 따라 레이저 회절에 의해 측정하는 경우 10 내지 53 μm의 입도 범위를 갖는, 예비-합금 Al-기반 분말이 기재된다.In an embodiment thereof, a pre-alloyed Al-based powder is described, having a particle size range of 10 to 53 μm as measured by laser diffraction according to ISO 13320-1 1999, where less than 10% of the particles are outside the specified particle size range. .

두 번째 양태에서, 하기 단계들을 포함하는 적층 제조에 의해 물품을 제조하는 공정이 본원에 상세히 기재된다:In a second aspect, a process for manufacturing an article by additive manufacturing comprising the following steps is described in detail herein:

- 첫 번째 양태의 구현예 중 어느 한 구현예에 따른 예비-합금 Al-기반 분말을 제공하는 단계;- providing a pre-alloyed Al-based powder according to any one of the embodiments of the first aspect;

- 예비-합금 Al-기반 분말의 층을 증착시켜 분말층을 형성시키는 단계;- depositing a layer of pre-alloyed Al-based powder to form a powder layer;

- 레이저 또는 전자-빔에 의해 미리 결정된 패턴에 따라 상기 예비-합금 Al-기반 분말을 가열하여 결합될 입자를 융합 또는 용융시키는 단계;- heating the pre-alloyed Al-based powder according to a predetermined pattern by laser or electron-beam to fuse or melt the particles to be bonded;

- 융합 또는 용융된 입자를 냉각시키는 단계;- cooling the fused or molten particles;

- 적층 제조된 물품이 형성될 때까지 증착, 가열 및 냉각 단계를 반복하는 단계;- repeating the deposition, heating and cooling steps until an additively manufactured article is formed;

- 제조된 물품을 회수하는 단계.- Recovering manufactured goods.

이의 구현예에서, 제조된 물품은 후속하여 열처리를 거친다.In this embodiment, the manufactured article subsequently undergoes heat treatment.

이의 구현예에서, 열처리는 제조된 물품을 공기 분위기에서 적어도 0.5 시간의 기간 동안 150 내지 450℃의 온도로 가열하는 것을 포함한다.In an embodiment thereof, the heat treatment comprises heating the manufactured article to a temperature of 150 to 450° C. for a period of at least 0.5 hours in an air atmosphere.

세 번째 양태에서, 첫 번째 양태의 임의의 구현예에 따른 예비-합금 Al-분말의 용융 융합 공정에 의해 형성된 물품이 상세히 기술된다.In a third aspect, an article formed by a melt fusion process of pre-alloyed Al-powder according to any embodiment of the first aspect is described in detail.

이의 구현예에서, 예비-합금 Al-분말의 열 융합 공정에 의해 형성된 물품으로서, 용융 융합 공정은 두 번째 양태의 구현예 중 임의의 것에 따르는, 물품이 기재된다.In an embodiment thereof, an article is described, which is formed by a thermal fusion process of pre-alloyed Al-powder, wherein the melt fusion process is according to any of the embodiments of the second aspect.

도 1.
Scheil-Gulliver 법에 따른 응고의 시뮬레이션. 선은 나머지 액체(고상(Solidus))이 형성된 질량 분획 고체의 함수로서 고체와 평형을 이루는 온도를 나타낸다.
도 2.
합금 D에 대한 공정 윈도우 다이어그램. 상대 밀도는 세로축 및 가로축에서 각각 레이저 출력(W) 및 레이저 속도(mm/s)를 갖는 컨투어 다이어그램으로 나타나 있다. 해치 거리는 100 μm이다. 공정 윈도우는 상대 밀도가 98.5% 초과인 영역이다.
도 3.
열처리의 함수로서의 경도. 시효 처리는 공기 중에서 410℃에서 수행되었다. 온도에서의 시간은 가로좌표에 나타나 있다.
도 4:
본 발명의 합금에 대한 조합된 Fe 및 Si에 대한 균열 감수성의 조사.
도 5:
(a) 입도(μm) 대 부피 %, 및
(b) 입도(μm) 대 누적 부피%.
도 6:
가스 흐름 방향을 표시하기 위해 3개의 면 모두 및 전면을 따른 노치를 나타내는 DOE 큐브 설계(빌드 방향 및 가스 흐름 방향에 따라, 전면: XZ; 상부 면: XY; 우측 면: YZ)
도 7:
상이한 가공 파라미터 및 파라미터 당 샘플의 수를 나타내는 실험 설계(DOE1). 층 두께 및 레이저 출력은 일정하게 유지되었다.
도 8:
4개의 모든 합금, a) 합금 A b) 합금 B c) 합금 C d) 합금 D의 상대 밀도에 대한 표면 플롯을 나타내는 실험 설계 6.1 결과.
도 9:
a) 실험 설계 6.2, b) 실험 설계 6.3, c)/d) 합금 D에 대해 각각 레이저 속도 대 해치 및 레이저 속도 대 레이저 출력을 나타내는 실험 설계(1, 2, 3)를 보여주는 표면 플롯.
도 10:
a) 인쇄된 상태의 조건에서 모든 4개 합금에 대한 X-선 플롯. b) 4개의 합금 모두에서 형성된 부 상을 나타내는, 20 = 37°- 47° 사이의 영역을 나타내는 삽도와 함께 인쇄된 상태의 조건에서의 합금 D에 대한 플롯. Al-Mn 기반 침전물로 추측된다. △ = 순수-Al 피크 및 ◆ = A1-Mn 침전물 피크.
도 11:
a) Mn, Cr, 및 Zr의 격자 파라미터에 대한 이론적 효과. 점선은 Al = 4.016 Å 대신 순수한 Al = 4.0478 Å를 가정한 인터셉트 보정을 나타낸다는 점이 주지된다.
b) 인쇄된 상태의 조건에서 모든 4개 합금에 대한 X-선 회절 패턴에 기반한 격자 파라미터 값. 0.01 Å 이내의 타당한 값이 달성됨.
도 12:
a) 켈러(keller) 시약으로 에칭된, 분무된 상태의 분말 합금 C의 20X 광학 현미경 이미지.
b) 켈러 시약으로 에칭된, 분무된 상태의 분말 합금 C의 50X 광학 현미경 이미지.
도 13:
a) -99.6% 상대 밀도를 갖는 인쇄시 상태의 합금 D의 입방체에 대한 상부 면(XY) b) 우측 면(YZ) 및 c) 전면(XZ) 도면.
도 14:
Al-합금의 인쇄 후 관찰된 두 가지 유형의 전형적인 결함(합금 D에 대해 예시됨); a)는 저배율(a) 및 확대도(b)에서 키홀 결함을 나타내고; 저배율 및 확대도에서 융합 결함의 결여(d)를 나타낸다.
도 15:
수지상 구조를 나타내는 합금 C의 분무된 상태 분말의 SEM 이미지(a); 수지상 영역 내부에 나노미터 입자를 갖는 확대된 이미지(b)(황색 화살표로 표시됨). 적색 화살표로 표시된 입자는 OP-U로의 연마로부터 남은 실리카이다.
도 16:
a) 하부에서 상부로의 빌드 방향으로 전면에 따른 합금 D(인쇄된 상태)의 SEM 이미지 및 b) 이미지로부터 내측 빌드 방향으로 상부 면에 따른 적색으로 표시된 용융 푸울
도 17:
용융 푸울 경계 침전물을 고해상도로 보여주는 SEM 이미지. 두 가지 범주의 침전물이 확인되었다: 대형(200 내지 300 nm, 청색 화살표) 및 소형(<100 nm, 황색 화살표). 대형 침전물은 b)의 삽도에 고배율로 나타나 있다.
도 18:
a) 용융 푸울 경계 영역에서 결정립 정제의 용융 푸울 경계 및 b) 결정립계 및 아결정립계 입자를 나타내는 확대된 영역을 보여주는 합금 D의 SEM 이미지.
도 19:
아결정립계 침전물뿐만 아니라 용융 푸울 경계 침전물에서의 대형 및 소형 침전물을 포함하는, EDS 분석에 의해 도시된 3개의 카테고리의 Mn-함유 침전물의 화학적 조성. 아결정립계 침전물은 도 18에 도시되어 있고, 용융 푸울 경계 침전물은 도 17에 가시화되어 있다.
도 20:
두 가지 카테고리의 용융 푸울을 보여주는 합금 D의 SEM 이미지 a) 빌드 방향에 에피택셜인 긴 주상 결정립을 갖는 정상 용융 푸울 b) 정제된 결정립을 갖는 용융-푸울(삽입 이미지에 결정립 정제가 도시됨).
도 21:
a) Zr 수지상 구조를 갖는 20kX로 상부 면 섹션에서 합금 D를 보여주는 SE2 모드의 SEM 이미지.
b) Zr 면체 구조를 갖는 2.5kX로 상부 면 섹션에서 합금 C를 보여주는 BSE 모드의 SEM 이미지.
Figure 1.
Simulation of coagulation according to the Scheil-Gulliver law. The line represents the temperature at which the remaining liquid (solidus) is in equilibrium with the solid as a function of the mass fraction solid formed.
Figure 2.
Process window diagram for alloy D. The relative density is shown as a contour diagram with laser power (W) and laser speed (mm/s) on the ordinate and abscissa axes, respectively. The hatch distance is 100 μm. The process window is the area where the relative density is greater than 98.5%.
Figure 3.
Hardness as a function of heat treatment. The aging treatment was carried out at 410°C in air. Time at temperature is shown on the abscissa.
Figure 4:
Investigation of cracking susceptibility to combined Fe and Si for alloys of the present invention.
Figure 5:
(a) Particle size (μm) versus volume %, and
(b) Particle size (μm) versus cumulative volume %.
Figure 6:
DOE cube design showing notches along all three sides and front side to indicate gas flow direction (depending on build direction and gas flow direction; front: XZ; top side: XY; right side: YZ)
Figure 7:
Design of experiments (DOE1) representing different processing parameters and number of samples per parameter. Layer thickness and laser power were kept constant.
Figure 8:
Design of Experiment 6.1 Results showing surface plots of the relative densities of all four alloys, a) Alloy A b) Alloy B c) Alloy C d) Alloy D.
Figure 9:
Surface plots showing experimental designs (1, 2, 3) showing laser speed vs. hatch and laser speed vs. laser power for a) Experimental Design 6.2, b) Experimental Design 6.3, c)/d) Alloy D, respectively.
Figure 10:
a) X-ray plots for all four alloys in as-printed conditions. b) Plot for alloy D in as-printed conditions, with inset showing the region between 20 = 37°-47°, showing the minor phases formed in all four alloys. It is assumed to be an Al-Mn based precipitate. △ = pure-Al peak and ◆ = A1-Mn precipitate peak.
Figure 11:
a) Theoretical effects on the lattice parameters of Mn, Cr, and Zr. It is noted that the dashed line represents the intercept correction assuming pure Al = 4.0478 Å instead of Al = 4.016 Å.
b) Lattice parameter values based on X-ray diffraction patterns for all four alloys in as-printed conditions. Reasonable values within 0.01 Å were achieved.
Figure 12:
a) 20X optical microscope image of as-sprayed powder Alloy C, etched with Keller's reagent.
b) 50X optical microscopy image of as-sprayed powder Alloy C, etched with Keller's reagent.
Figure 13:
a) Top side (XY), b) Right side (YZ) and c) Front (XZ) views of a cube of alloy D as printed with -99.6% relative density.
Figure 14:
Two types of typical defects observed after printing of Al-alloys (exemplified for alloy D); a) shows a keyhole defect at low magnification (a) and magnification (b); Low magnification and magnification show lack of fusion defects (d).
Figure 15:
SEM image of as-sprayed powder of Alloy C showing dendritic structure (a); Enlarged image (b) with nanometer particles inside the dendritic region (indicated by yellow arrows). The particles indicated by the red arrows are silica left over from polishing with OP-U.
Figure 16:
a) SEM image of Alloy D (as printed) along the front side in bottom to top build direction and b) melt pool shown in red along the top side in inner build direction from the image.
Figure 17:
SEM image showing high resolution of melt pool boundary deposits. Two categories of deposits were identified: large (200 to 300 nm, blue arrows) and small (<100 nm, yellow arrows). Large deposits are shown at higher magnification in the inset in b).
Figure 18:
SEM image of Alloy D showing a) the melt pool boundary of the grain refinements in the melt pool boundary region and b) the enlarged region showing grain boundaries and subgrain boundary particles.
Figure 19:
Chemical composition of three categories of Mn-containing deposits shown by EDS analysis, including large and small deposits in subgrain boundary deposits as well as melt pool boundary deposits. Sub-grain boundary deposits are shown in Figure 18 and melt pool boundary deposits are visualized in Figure 17.
Figure 20:
SEM image of Alloy D showing two categories of melt pools: a) normal melt pools with long columnar grains epitaxial to the build direction, b) melt-pools with refined grains (grain refinement is shown in the inset image).
Figure 21:
a) SEM image in SE2 mode showing alloy D in the top face section at 20kX with Zr dendritic structure.
b) SEM image in BSE mode showing alloy C in the top face section at 2.5kX with Zr tetrahedral structure.

상세한 설명details

신속한 응고 공정을 위해 합금을 최적화하기 위해, 집적 전산 재료 공학(Integrated Computational Materials Engineering; ICME)이 강력하다.To optimize alloys for rapid solidification processes, Integrated Computational Materials Engineering (ICME) is powerful.

합금의 응고 거동 및 침전 공정에 대한 상이한 합금화 원소의 효과가 계산될 수 있고, 새로운 합금화 시스템에 대한 성질의 우수한 예측이 얻어질 수 있다.The effect of different alloying elements on the solidification behavior and precipitation process of the alloy can be calculated and good predictions of properties for new alloying systems can be obtained.

방법은 구체적으로 표적화된 물질 및 공정에 대한 상 관계와 성질 사이의 관계에 대한 심층적인 이해를 기초로 한다. 선택된 실험 연구와 계산의 조합이 필요하다.The method is based on an in-depth understanding of the relationships between phase relationships and properties for specifically targeted materials and processes. A combination of selected experimental studies and calculations is required.

ICME 개발 공정의 이점은 물질 부류에 대한 조성 공간의 이전에 알려지지 않은 분야의 조사가 가능하다는 것이다. 이러한 방법은 합금 원소가 고강도 성분을 달성하기 위해 어떻게 사용되었는지와 관련하여 합금 조성이 이용 가능한 합금과 근본적으로 다른 이유를 보여주기 위해 본 발명에 사용되었다.The advantage of the ICME development process is that it allows investigation of previously unknown areas of the composition space for a class of materials. This method was used in the present invention to show why the alloy composition is fundamentally different from available alloys in terms of how alloying elements are used to achieve high strength components.

제1 원리 계산을 통해 기재된 바와 같이, 잠재적 고용체 강화 효과에 기초하여 합금화 원소가 선택되었다.Alloying elements were selected based on their potential solid solution strengthening effects, as described through first principles calculations.

그 후에, 이를 Al-기반 합금에서 고용체의 확장에 대한 이전의 지식과 조합하여 얼마나 많은 용질이 용해될 것으로 예상될 수 있고 이들 합금의 인쇄된 상태의 강도가 어느 정도일지 추정되었다.This was then combined with previous knowledge of solid solution expansion in Al-based alloys to estimate how much solute could be expected to dissolve and what the strength of the printed state of these alloys would be.

고용체에서 과포화의 양은 비평형 계산 및 LPBF 가공 동안 확산도 및 급속 냉각에 기반한 제2 상 입자의 핵형성/조대화에 대한 저항성의 평가에 의해 뒷받침된다.The amount of supersaturation in solid solution is supported by nonequilibrium calculations and evaluation of the resistance to nucleation/coarsening of the second phase particles based on diffusivity and rapid cooling during LPBF processing.

ThermoCalc 소프트웨어(버전 및 데이터베이스)를 사용하여 잠정적 상 다이어그램(2원에서 4차로)이 개발되고, LPBF 가공을 통한 가능한 과냉각이 평형과 비교하여 용해될 수 있는 용질의 백분율이 얼마나 높은지 확인하기 위한 인자로서 사용되었다.A tentative phase diagram (from binary to quaternary) is developed using ThermoCalc software (versions and databases), and possible subcooling through LPBF processing is used as a factor to determine how high the percentage of solute can be dissolved compared to equilibrium. It was used.

합금 설계를 위한 두 번째 중요한 기준은 Scheil 응고 계산에 기초하여 합금화 원소를 선택하고 무시할 수 있는 응고 균열 감수성에 대해 선택하는 것이었다.The second important criterion for alloy design was to select alloying elements based on Scheil solidification calculations and to select for negligible solidification cracking susceptibility.

이러한 접근법은 인쇄 동안 불필요한 문제를 피하기 위한 쉬운 경로를 생성할 것이다. Scheil 곡선은 TCAL7 및 M0BAL5 데이터베이스를 사용하는 ThermoCalc 소프트웨어를 사용하여 개발되었다.This approach will create an easy path to avoid unnecessary problems during printing. Scheil curves were developed using ThermoCalc software using the TCAL7 and M0BAL5 databases.

예기치 않게도, 본 발명의 합금에 대한 응고 스테이지의 말미 가까이에 저융융 상이 형성되지 않아, 응고 균열의 위험을 피할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이는 우수한 균열 응고 지수에 의해 나타난다.Unexpectedly, it has been found that no low melting phase is formed near the end of the solidification stage for the alloys of the present invention, thus avoiding the risk of solidification cracking. This is indicated by the excellent crack solidification index.

또한, 이전에 Cr-함유 상은 인쇄 시 응고 동안 형성되어 Cr의 용체 경화 효과를 감소시킬 것으로 예상되었으며, 원소 및 이의 함량을 신중하게 선택함으로써, 놀랍게도 이러한 침전물의 형성이 방지될 수 있었다. 유사하게, 본 발명에 따른 함량을 갖는 합금화 원소 Zr 및 Mn은 인쇄 시 유해한 침전물을 형성하지 않아 시효 경화를 가능하게 할 것이다.Additionally, Cr-containing phases were previously expected to form during solidification in printing, reducing the solution hardening effect of Cr, and by careful selection of the element and its content, surprisingly, the formation of these precipitates could be prevented. Similarly, alloying elements Zr and Mn with contents according to the invention will not form harmful precipitates during printing and will enable age hardening.

예비-합금 Al-기반 분말은 응고가 빠르고, 즉, 1000℃/s 초과이고, 액체에서 침전의 형성이 억제되는, 적층 제조 공정을 위한 집적 전산 재료 공학(ICME)을 사용하여 설계되었다.The pre-alloyed Al-based powder was designed using Integrated Computational Materials Engineering (ICME) for additive manufacturing processes where solidification is fast, i.e., >1000° C./s, and the formation of precipitates in the liquid is suppressed.

합금화 원소는 합금의 강화에 역할을 하며, 빠르게 응고된 미세구조에서만 효과적일 것이다. 본 발명의 모든 구현예에서, 합금은 25℃ 미만의 응고 온도 강하로 고체의 80% 몰 분율까지 안정한 응고 경로를 가지며, 이는 A360.0을 제외하고 기존의 종래 기술 합금(도 1 참조)과 대조적으로 본질적으로 균열 형성 없이(도 1 참조) LPBF-인쇄를 가능하게 한다(도 4 참조). 또한, 본 발명의 가장 바람직한 합금은 안정한 응고 경로를 가지며, 즉, 응고 시에 단일 구조가 형성되고, 예를 들어, 균열 없이 LPBF에 의해 인쇄될 수 있다(도 4 참조).Alloying elements play a role in strengthening the alloy and will only be effective in rapidly solidified microstructures. In all embodiments of the invention, the alloys have a stable solidification path up to 80% mole fraction of solids with a solidification temperature drop of less than 25°C, which is in contrast to existing prior art alloys (see Figure 1) except A360.0. This enables LPBF-printing (see Figure 4) with essentially no crack formation (see Figure 1). Additionally, the most preferred alloys of the present invention have a stable solidification path, i.e., upon solidification, a single structure is formed and can be printed, for example, by LPBF without cracking (see Figure 4).

인쇄된 상태의 물품은 5 부피% 미만의 Al6Mn, Al3Zr 및 다른 침전물을 함유하는, 미세구조의 상 조성이 단일상인 셀형/수지상 미세구조를 특징으로 하는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.The article in the printed state is characterized by a structure characterized by a cellular/dendritic microstructure with a single-phase phase composition of the microstructure, containing less than 5% by volume of Al 6 Mn, Al 3 Zr and other precipitates.

본 발명에 따른 예비-합금 Al-합금화 분말은 Al-합금 부품의 적층 제조에 사용될 수 있다. 넓은 처리 창으로 부품이 용이하게 인쇄될 수 있다. 부품은 높은 강도를 나타내고, 성질을 추가로 개선하기 위해 적층 제조 단계 후에 열처리될 수 있다.The pre-alloyed Al-alloyed powder according to the invention can be used in the additive manufacturing of Al-alloy parts. Parts can be printed easily with a wide processing window. The parts exhibit high strength and can be heat treated after the additive manufacturing step to further improve properties.

따라서, 개선된 강도를 얻기 위해, 인쇄된 상태의 물품은 열처리, 즉, 공기 분위기에서 적어도 0.5 시간의 기간 동안 150 내지 450℃에서 시효-경화될 수 있다. 이에 의해, ISO 6507-1 - 2018에 따라 측정된 적어도 125 HVO.3의 경도를 갖는 물품이 제조될 수 있다.Accordingly, to obtain improved strength, the article in the printed state can be heat treated, i.e. age-hardened at 150 to 450° C. for a period of at least 0.5 hours in an air atmosphere. Thereby, articles can be produced having a hardness of at least 125 HVO.3, measured according to ISO 6507-1 - 2018.

물품의 미세구조는 미세구조의 상 조성이 2 내지 15 부피%의 Al6Mn 및 Al3Zr, 및 최대 10 부피%의 다른 침전물을 함유하는 단일 상인, 셀형/수지상 미세구조를 특징으로 한다.The microstructure of the article is characterized by a cellular/dendritic microstructure, with the phase composition of the microstructure being a single phase containing 2 to 15% by volume of Al 6 Mn and Al 3 Zr, and up to 10% by volume of other precipitates.

합금화 시스템은 Cr 및 Zr이 첨가된 Al-Mn을 기반으로 한다. 실험 및 계산으로부터의 결과는 특히 표 3에 제시되어 있고, 여기서 알루미늄 합금의 각각의 성분에 대해 "X"로 표시되며, 여기서 이러한 성분은 본 발명의 알루미늄 합금의 다른 원소와 조합하여 상승작용적인 합금화 효과에 기여한다..The alloying system is based on Al-Mn with additions of Cr and Zr. The results from experiments and calculations are particularly presented in Table 3, where each component of the aluminum alloy is denoted with an " Contributes to the effect.

특정 관심 조성 영역은 표 3에 강조되어 있으며, 여기서 본 합금의 원소는 본 합금에 대한 최적의 상승작용적 효과를 나타낸다. 그러나, 이러한 최적의 관심 영역을 둘러싸는 농도 영역에서 작업하는 것이 덜 바람직하지만, 그럼에도 불구하고 이러한 최적 미만의 원소 개재물의 합금은 종래 기술의 다른 합금에 비해 개선된 특성을 나타내며, 따라서 본 발명에서 배제되지 않는다.Compositional areas of particular interest are highlighted in Table 3, where the elements of this alloy exhibit optimal synergistic effects for this alloy. However, although it is less desirable to work in the concentration region surrounding this optimal region of interest, alloys of these sub-optimal elemental inclusions nevertheless exhibit improved properties compared to other alloys of the prior art and are therefore excluded from the present invention. It doesn't work.

본 발명에 따르면, 하기가 본원에 상세히 기재된다:According to the invention, the following is described in detail herein:

중량 기준으로 하기의 총 예비-합금 Al-기반 분말로 이루어진 적층 제조에 적합한 예비-합금 Al-기반 분말:Pre-alloyed Al-based powders suitable for additive manufacturing consisting of the following total pre-alloyed Al-based powders by weight:

3 내지 5.5 중량%의 Mn,3 to 5.5% by weight Mn,

0.2 내지 2 중량%의 Zr,0.2 to 2% by weight Zr,

0.2 내지 1.4 중량%의 Cr,0.2 to 1.4% Cr by weight,

0 내지 2 중량%의 Mg,0 to 2% by weight Mg,

총 최대 0.7 중량%의 Fe와 Si,Fe and Si totaling up to 0.7% by weight,

최대 0.7 중량%의 불가피한 불순물로서 0, 및 최대 0.5 중량%의 추가의 불가피한 불순물,0 as unavoidable impurities up to 0.7% by weight, and additional unavoidable impurities up to 0.5% by weight,

나머지 Al.The rest of Al.

산소는 일반적으로 불가피한 불순물로서 알루미늄 합금에 편재하여 존재한다. 본 발명의 예비-합금 분말을 제조하는 본 발명의 방법은 0.35 내지 0.55 중량%의 불가피한 불순물로서의 산소를 제공하지만(표 9 참조), 분말 크기에 따라, 이 값은 달라질 것이다. 명시된 범위의 산소의 특정하거나 유해한 효과는 실험에서 관찰되지 않았다.Oxygen is generally present ubiquitously in aluminum alloys as an unavoidable impurity. The inventive process for making the inventive pre-alloy powder provides 0.35 to 0.55% by weight of oxygen as an inevitable impurity (see Table 9), but depending on the powder size, this value will vary. No specific or deleterious effects of oxygen in the specified ranges were observed in the experiments.

일반적으로, 추가의 불가피한 불순물의 수준은 기술적으로 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 바람직하게는, 추가의 불가피한 불순물의 농도는 예비-합금 Al-기반 분말의 0.4 wt.% 미만, 0.3 wt.% 미만 또는 훨씬 더 바람직하게는 0.2 wt.% 미만 또는 0.1 wt.% 미만이다.In general, it is desirable for the level of additional unavoidable impurities to be as low as technically possible. Preferably, the concentration of additional unavoidable impurities is less than 0.4 wt.%, less than 0.3 wt.% or even more preferably less than 0.2 wt.% or less than 0.1 wt.% of the pre-alloyed Al-based powder.

본 발명에 따르면, 합금화 원소 Cr 및 Mn은 용체 경화 효과를 야기하기 위해 제공되는 반면, 합금화 원소 Zr은 인쇄 공정 후 후속 열처리 동안 침전 경화에 기여하기 위해 제공되었다. 놀랍게도, 실험에서 보여지고 표 3에 강조된 바와 같이, 청구된 농도 범위에서 첨가된 성분의 상승작용적 효과가 관찰되었다.According to the invention, the alloying elements Cr and Mn are provided to bring about a solution hardening effect, while the alloying elements Zr are provided to contribute to precipitation hardening during subsequent heat treatment after the printing process. Surprisingly, as shown in the experiments and highlighted in Table 3, a synergistic effect of the added components was observed in the claimed concentration range.

Zr의 함량은 예비-합금 Al-기반 분말의 0.1 내지 2.0 중량%이다. 실험(표 3 참조)에서, 2% 초과의 Zr-함량은 분무 공정을 방해할 것이고, 0.1 중량% 미만의 함량은 물품의 열처리 후 요망되는 침전 경화 효과에 관여하지 않을 것으로 밝혀졌다.The content of Zr is 0.1 to 2.0% by weight of the pre-alloyed Al-based powder. Experiments (see Table 3) have shown that Zr-contents above 2% will interfere with the spraying process and contents below 0.1% by weight will not contribute to the desired precipitation hardening effect after heat treatment of the article.

바람직하게는, 지르코늄 함량은 예비-합금 Al-기반 분말의 0.2 wt.% 이상, 예비-합금 Al-기반 분말의 및 예비-합금 Al-기반 분말로부터 제조된 물품에서 0.3 wt.% 이상, 0.4 wt.% 이상, 더욱 바람직하게는 0.5 wt.% 이상, 또는 훨씬 더 바람직하게는 0.6 wt.% 이상이다.Preferably, the zirconium content is at least 0.2 wt.% of the pre-alloyed Al-based powder, at least 0.3 wt.% of the pre-alloyed Al-based powder and in articles made from the pre-alloy Al-based powder, at least 0.4 wt. .% or more, more preferably 0.5 wt.% or more, or even more preferably 0.6 wt.% or more.

바람직하게는, 지르코늄 함량은 예비-합금 Al-기반 분말의 2 중량% 미만, 예비-합금 Al-기반 분말의 및 예비-합금 Al-기반 분말로부터 제조된 물품에서 1.9 wt.% 미만, 1.8 wt.% 미만, 1.7 wt.% 미만, 더욱 바람직하게는 1.6 wt.% 미만, 1.5 wt.% 미만, 1.4 wt.% 미만, 1.3 wt.% 미만, 또는 1.25 wt.% 미만이다.Preferably, the zirconium content is less than 2% by weight of the pre-alloyed Al-based powder, less than 1.9 wt.% of the pre-alloyed Al-based powder and articles made from the pre-alloyed Al-based powder, less than 1.8 wt.%. %, less than 1.7 wt.%, more preferably less than 1.6 wt.%, less than 1.5 wt.%, less than 1.4 wt.%, less than 1.3 wt.%, or less than 1.25 wt.%.

바람직한 구현예에서, 지르코늄 함량은 예비-합금 Al-기반 분말의 및 예비-합금 Al-기반 분말로부터 제조된 물품에서 0.2 내지 1.9 wt.%, 바람직하게는 0.3 내지 1.8 wt.%, 0.4 내지 1.7 wt.%, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 1.6 wt.%, 0.5 내지 1.5 wt.%, 가장 바람직하게는 0.6 내지 1.4 wt.%, 0.7 내지 1.3 wt.%, 또는 0.8 내지 1.1 wt.%이다.In a preferred embodiment, the zirconium content in the pre-alloyed Al-based powder and in the articles made from the pre-alloyed Al-based powder is 0.2 to 1.9 wt.%, preferably 0.3 to 1.8 wt.%, 0.4 to 1.7 wt. .%, more preferably 0.5 to 1.6 wt.%, 0.5 to 1.5 wt.%, most preferably 0.6 to 1.4 wt.%, 0.7 to 1.3 wt.%, or 0.8 to 1.1 wt.%.

본 발명에 따르면, Mn 및 Cr의 첨가는 Mn 및 Cr 원자로의 Al 원자의 치환으로 인해 증가된 강도를 초래할 것으로 고려되었다. 매트릭스가 Mn 및 Cr에 의해 과포화되면, fcc-Al 매트릭스에 침전물이 형성되고, 이는 치환 강화 효과의 감소를 초래할 것이다.According to the present invention, it was considered that the addition of Mn and Cr would result in increased strength due to substitution of Al atoms for Mn and Cr atoms. If the matrix is supersaturated by Mn and Cr, precipitates will form in the fcc-Al matrix, which will lead to a decrease in the substitution strengthening effect.

놀랍게도(표 3 참조), 특정 농도의 Cr 및 Mn에 대해, 본 발명의 합금에서 Cr 및 Mn 둘 모두의 존재는 LPBF-인쇄에 의해 형성된 물품에서 예상되는 균열 형성보다 상당히 더 낮은 것으로 밝혀졌다. 일반 원리에 기초하여, 이러한 효과는 Mn 및 Cr이 더 많이 첨가될수록 더 강할 것으로 고려되었지만, 놀랍게도, 효과는 약 0.7 wt.% Cr에서 최고치이고, 크롬 함량이 본 발명의 합금에서 1.4 wt.%로 대체될 때 사라지는 것으로 밝혀졌다.Surprisingly (see Table 3), for a given concentration of Cr and Mn, the presence of both Cr and Mn in the alloy of the present invention was found to be significantly lower than expected crack formation in articles formed by LPBF-printing. Based on general principles, it was considered that this effect would be stronger with higher additions of Mn and Cr, but surprisingly, the effect peaks at about 0.7 wt.% Cr, with the chromium content increasing to 1.4 wt.% in the alloy of the present invention. It has been found to disappear when replaced.

후속 실험에서, 본 발명의 조성물에 1.4%를 초과하는 Cr 함량의 첨가는 800℃ 초과의 온도에서 용융물에 요망되지 않는 금속간 AlxCry 침전물의 형성을 초래할 것으로 밝혀졌다.In subsequent experiments, it was found that addition of Cr content exceeding 1.4% to the compositions of the present invention would result in the formation of undesirable intermetallic Al x Cr y precipitates in the melt at temperatures above 800°C.

용융물에서 형성되는 이러한 침전물은 너무 커서 합금의 강화에 기여하지 않고 치환 강화를 감소시키는 용체로부터 Cr을 제거할 것이다. 또한, 고온에서 금속간 상의 형성은 노즐의 막힘과 함께 분무에 문제를 일으킨다.These precipitates that form in the melt are so large that they do not contribute to strengthening the alloy and will remove Cr from the solution reducing substitutional strengthening. Additionally, the formation of intermetallic phases at high temperatures causes problems in spraying along with clogging of the nozzle.

Cr의 함량은 예비-합금 Al-기반 분말의 0.1 내지 1.4 중량%이다. 바람직하게는, 크로뮴 함량은 예비-합금 Al-기반 분말의 0.2 wt.% 이상, 예비-합금 Al-기반 분말의 및 예비-합금 Al-기반 분말로부터 제조된 물품에서 0.3 wt.% 이상, 0.4 wt.% 이상, 더욱 바람직하게는 0.5 wt.% 이상, 또는 훨씬 더 바람직하게는 0.6 wt.% 이상이다.The content of Cr is 0.1 to 1.4% by weight of the pre-alloyed Al-based powder. Preferably, the chromium content is at least 0.2 wt.% of the pre-alloyed Al-based powder, at least 0.3 wt.% of the pre-alloyed Al-based powder and in articles made from the pre-alloy Al-based powder, at least 0.4 wt. .% or more, more preferably 0.5 wt.% or more, or even more preferably 0.6 wt.% or more.

바람직하게는, 크로뮴 함량은 예비-합금 Al-기반 분말의 1.4 중량% 미만, 예비-합금 Al-기반 분말의 및 예비-합금 Al-기반 분말로부터 제조된 물품에서 1.35 wt.% 미만, 1.30 wt.% 미만, 1.25 wt.% 미만, 더욱 바람직하게는 1.20 wt.% 미만, 1.15 wt.% 미만, 1.10 wt.% 미만, 1.05 wt.% 미만, 또는 1.0 wt.% 미만이다.Preferably, the chromium content is less than 1.4 wt.% of the pre-alloyed Al-based powder, less than 1.35 wt.% of the pre-alloyed Al-based powder and articles made from the pre-alloy Al-based powder, less than 1.30 wt. %, less than 1.25 wt.%, more preferably less than 1.20 wt.%, less than 1.15 wt.%, less than 1.10 wt.%, less than 1.05 wt.%, or less than 1.0 wt.%.

바람직한 구현예에서, 크로뮴 함량은 예비-합금 Al-기반 분말의 및 예비-합금 Al-기반 분말로부터 제조된 물품에서 0.2 내지 1.4 wt.%, 바람직하게는 0.3 내지 1.35 wt.%, 0.4 내지 1.30 wt.%, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 1.25 wt.%, 0.5 내지 1.15 wt.%, 또는 0.6 내지 1.4 wt.%, 0.7 내지 1.3 wt.%, 또는 0.8 내지 1.1 wt.%이다.In a preferred embodiment, the chromium content in the pre-alloyed Al-based powder and in articles made from the pre-alloyed Al-based powder is 0.2 to 1.4 wt.%, preferably 0.3 to 1.35 wt.%, 0.4 to 1.30 wt. .%, more preferably 0.5 to 1.25 wt.%, 0.5 to 1.15 wt.%, or 0.6 to 1.4 wt.%, 0.7 to 1.3 wt.%, or 0.8 to 1.1 wt.%.

따라서, Cr은 Al-기반 분말 및 상기 분말로부터 제조된 물품에 0.1 내지 1.4 중량%, 바람직하게는 0.2 내지 1.4 중량%, 바람직하게는 0.3 내지 1.4 중량%, 더욱 바람직하게는 0.4 내지 1.4 중량%, 그러나 훨씬 더 바람직하게는 0.5 내지 1.4 중량%의 양으로 존재한다.Accordingly, Cr is present in Al-based powders and articles made from said powders in an amount of 0.1 to 1.4% by weight, preferably 0.2 to 1.4% by weight, preferably 0.3 to 1.4% by weight, more preferably 0.4 to 1.4% by weight, However, even more preferably it is present in an amount of 0.5 to 1.4% by weight.

동일한 이유로, Mn은 예비-합금 Al-기반 분말의 및 상기 분말로부터 제조된 물품에 3 내지 5.5 중량%의 양으로 존재한다.For the same reason, Mn is present in amounts of 3 to 5.5% by weight in pre-alloyed Al-based powders and in articles made from such powders.

일반적으로, Mn의 이러한 농도 영역 내에서, 본 발명의 합금은 Zr 및 Cr의 함량에 반응하지만 외부에는 반응하지 않는 것으로 관찰되었다. Mn에 대한 Zr 및 Cr의 특정 공동의존성은 바람직한 구현예에서 Mn+Zr+Cr의 총 농도가 Al-기반 분말 및 상기 분말로부터 제조된 물품에 3.4 내지 8.5 wt.%가 되게 하는 것으로 관찰되었다.In general, it has been observed that within this concentration region of Mn, the alloy of the present invention responds to the content of Zr and Cr, but not outside. The specific co-dependence of Zr and Cr on Mn has been observed to result in a total concentration of Mn+Zr+Cr in a preferred embodiment of 3.4 to 8.5 wt.% in the Al-based powder and articles made from the powder.

이의 바람직한 구현예에서, Mn+Zr+Cr의 총 농도는 Al-기반 분말의 및 상기 분말로부터 제조된 물품에 중량 기준으로 3.7 내지 8.0 wt.%, 4 내지 7.5 wt.%, 4.25 내지 7.25 wt.%, 또는 4.5 내지 7 wt.%가 될 것이다.In a preferred embodiment thereof, the total concentration of Mn+Zr+Cr is 3.7 to 8.0 wt.%, 4 to 7.5 wt.%, 4.25 to 7.25 wt.%, by weight in the Al-based powder and in articles made from said powder. %, or 4.5 to 7 wt.%.

임의로, Mg는 예비-합금 Al-기반 분말의 및 상기 분말로부터 제조된 물품에서 최대 2 중량%로 존재할 수 있다. Mg는 용체 강화에 기여할 것이다. 일 구현예에서, 예비-합금 Al-기반 분말은 의도적으로 첨가된 Mg를 갖지 않으며, 따라서 구현예에서 또 다른 불가피한 불순물로 고려된다.Optionally, Mg may be present in up to 2% by weight of the pre-alloyed Al-based powder and in articles made from the powder. Mg will contribute to solution strengthening. In one embodiment, the pre-alloyed Al-based powder does not have Mg intentionally added, and is therefore considered another unavoidable impurity in the embodiment.

너무 많은 Fe 및/또는 Si의 존재는 응고 공정의 최종 스테이지에서 저용융 액체의 형성을 야기할 것이며, 그 이유는 이러한 액체가 결정립계에 포획되어 응고 동안 최종 수축에 균열을 형성할 수 있기 때문이다. 놀랍게도, 이러한 현상은 Fe 및 Si의 개별 기여에 독립적이지만, 단지 이들 두 원소의 총 농도에만 의존하며, Fe 및 Si의 총량을 제한함으로써 이러한 현상이 억제될 수 있는 것으로 밝혀졌다(도 4 참조).The presence of too much Fe and/or Si will cause the formation of low melting liquids in the final stages of the solidification process because these liquids can become trapped at grain boundaries and form cracks at the final shrinkage during solidification. Surprisingly, it was found that this phenomenon is independent of the individual contributions of Fe and Si, but only depends on the total concentration of these two elements, and that this phenomenon can be suppressed by limiting the total amount of Fe and Si (see Figure 4).

따라서, 중요한 특징은 Fe와 Si의 함량을 낮은 수준으로, 원소들의 총 최대 0.7 중량%, 바람직하게는 최대 0.5 중량%, 및 더욱 바람직하게는 총 최대 0.2 중량%로 유지하는 것으로 나타났다.Therefore, an important feature appears to be maintaining the content of Fe and Si at a low level, at most 0.7% by weight of the elements in total, preferably at most 0.5% by weight, and more preferably at most 0.2% by weight in total.

다른 불가피한 불순물의 양은 Al-기반 분말의 및 분말로부터 제조된 물품에서 최대 0.5 중량%, 바람직하게는 최대 0.3 중량%이다.The amount of other unavoidable impurities is at most 0.5% by weight, preferably at most 0.3% by weight of the Al-based powder and in articles made from the powder.

본 발명에 따른 Al-기반 분말은 최대 300℃의 용융 범위를 가지며, 용융 범위는 응고 개시 온도와 모든 액체가 응고되었을 때의 온도 사이의 차이로서 정의된다.The Al-based powder according to the invention has a melting range of up to 300° C., where the melting range is defined as the difference between the onset of solidification temperature and the temperature when all the liquid has solidified.

그러나, 응고의 마지막 스테이지에서 균열을 피하기 위해, 완전한 응고에 가까운 용융 온도의 강하는 제한되어야 한다(도 1 참조). 합금이 응고 동안 균열을 형성하는 경향을 평가하는 한 가지 실용적인 방법은 응고 균열 감수성 지수를 사용하는 것이다.However, to avoid cracking in the final stages of solidification, the drop in melt temperature close to complete solidification must be limited (see Figure 1). One practical way to evaluate the tendency of an alloy to form cracks during solidification is to use the solidification cracking susceptibility index.

응고 균열 감수성 지수는 하기 방정식 (1)에 따라 정의된다:The solidification cracking susceptibility index is defined according to equation (1):

여기서, S는 응고 균열 감수성 지수이고, T는 온도이고, fs는 고체의 질량 분율이다.where S is the solidification cracking susceptibility index, T is the temperature, and f s is the mass fraction of solid.

본 발명에 따른 Al-기반 분말은 20℃ 미만의 응고 균열 감수성 지수를 갖는다. 상기 지수는 마지막 용융물이 80 내지 100% 응고된 범위에서 어떻게 응고되는지의 척도이다. 상기 지수는 이러한 범위에서 온도 변화의 기울기를 측정한다. A360.0은 44℃의 응고 균열 민감성 지수를 갖고, Al 6160의 257℃의 지수를 갖는다. 상기 지수가 낮을수록, 합금은 응고 균열에 덜 취약하다.The Al-based powder according to the invention has a solidification cracking susceptibility index of less than 20°C. The index is a measure of how the final melt solidifies, ranging from 80 to 100% solidified. The index measures the slope of temperature change over this range. A360.0 has a solidification cracking susceptibility index of 44°C, and Al 6160 has an index of 257°C. The lower the index, the less susceptible the alloy is to solidification cracking.

Al-합금화 분말은 가스 분무와 같은 임의의 신속한 응고 공정에 의해 제조될 수 있을 뿐만 아니라, 과도한 침전물을 형성하지 않으면서 분무 증착, 용융 방사, 용융 추출 등에 의해 제조될 수 있고, 그렇지 않으면 과도한 침전물은, 이러한 침전물이, 예를 들어, 분무 노즐을 차단하거나 달리 용융된 스트림을 방해하려는 경향이 있어서 제조 공정에 해로울 것이다. Al-alloyed powders can be manufactured by any rapid solidification process such as gas atomization, as well as by spray deposition, melt spinning, melt extraction, etc. without forming excessive precipitates, otherwise excessive precipitates may be produced by , these deposits will be detrimental to the manufacturing process, for example, by their tendency to block spray nozzles or otherwise obstruct the molten stream.

의도된 조성을 갖는 분말은 바람직하게는 요망되는 조성을 갖는 물질을 용융시키고 용융물 상에 불활성 가스 분무를 수행하여 예비-합금 분무 분말을 수득함으로써 제조된다. 분무 매질로서 공기 또는 물을 사용하여 분무하는 것이 또한 가능하지만, 본 발명과 관련하여, 물을 사용하면 산소 함량이 너무 높을 것이고, 또한 입자 형태가 손상될 수 있고 공기 및 물 분무된 분말이 불활성 가스 분무에 의해 형성된 분말에 비해 더 불규칙하게 성형되는 경향이 있기 때문에 분말 생산에 부정적인 영향을 미칠 것이다.Powders with the intended composition are preferably prepared by melting a material with the desired composition and subjecting the melt to inert gas spraying to obtain a pre-alloyed spray powder. It is also possible to spray using air or water as the spray medium, but in the context of the present invention, if water is used, the oxygen content will be too high, and also the particle morphology may be damaged and the air and water atomized powder will be inert gas. This will have a negative impact on powder production as it tends to form more irregularly compared to powders formed by spraying.

본 발명의 분말의 합금화 원소는 또한 분무 동안 분무 노즐의 막힘을 방지하기 위해 선택된다. 이러한 문제는 일부 종래 기술의 분말 조성물에서, 요망되는 화학 조성물을 수득하기 위해 그 자체가 순수한 원소 분말이거나 상이한 예비-합금 분말의 혼합물을 사용함으로써 방지되었다. 혼합물의 단점은 상이한 분말이 취급 및 가공 동안 분리되어 인쇄된 부품의 화학적 불균일성을 초래할 수 있다는 것이다. 이는 본 발명의 알루미늄 분말이 조성의 손실 없이 예비-합금하기에 간단하기 때문에 본 발명에서 방지된다.The alloying elements of the powders of the present invention are also selected to prevent clogging of the spray nozzles during spraying. This problem has been avoided in some prior art powder compositions by using either pure elemental powders themselves or mixtures of different pre-alloy powders to obtain the desired chemical composition. A disadvantage of mixtures is that the different powders may separate during handling and processing, resulting in chemical non-uniformity of the printed part. This is avoided in the present invention because the aluminum powders of the present invention are simple to pre-alloy without loss of composition.

LPBF-인쇄 분야에서 널리 공지된 바와 같이, 인쇄에 사용되는 분말 입자의 크기 및 형태는 균일하고 균질한 분말 층에 분말을 확산시키는 능력에 중요하다. 작업체 컷은 5 내지 150 μm의 간격으로 확인되는 것으로 공지되어 있다.As is well known in the field of LPBF-printing, the size and shape of the powder particles used in printing are important to the ability to spread the powder in a uniform and homogeneous powder layer. It is known that workpiece cuts are identified at intervals of 5 to 150 μm.

작은 간격은 용융 공정 및 분말층의 균질성에 유리하여, 다공성과 같이 결함이 더 적은 보다 안정적인 용융 공정을 야기한다.Small spacing is advantageous for the melting process and the homogeneity of the powder bed, resulting in a more stable melting process with fewer defects such as porosity.

일반적인 입도 범위는 15 내지 45 μm 또는 20 내지 53 μm이지만, 사용된 LPBF 장비 및 적용 요건에 따라, 다음 시브 컷 중 임의의 것이 사용될 수 있다; 5-36, 10-45, 15-45, 20-53, 20-63, 45-90, 45-106, 53-106, 45-150, 53-150, 63-150, 75-150, 90-150, 106-150 μm. 본 발명의 Al-기반 분말의 특정 이점은 이들이 LPBF-인쇄에 바람직한 크기 범위에서 용이하게 제조될 수 있다는 것이다.Typical particle size ranges are 15 to 45 μm or 20 to 53 μm, but depending on the LPBF equipment used and application requirements, any of the following sieve cuts may be used; 5-36, 10-45, 15-45, 20-53, 20-63, 45-90, 45-106, 53-106, 45-150, 53-150, 63-150, 75-150, 90- 150, 106-150 μm. A particular advantage of the Al-based powders of the present invention is that they can be readily manufactured in the size range desirable for LPBF-printing.

언급된 입도 범위는 최대 2 중량%의 분말이 상한 초과의 입도를 갖고 최대 2 중량%의 분말이 하한 미만의 입도를 갖는 것을 의미한다. 입도는 ISO 13320-1 1999에 따라 레이저 회절에 의해 측정되었다.The stated particle size range means that at most 2% by weight of the powder have a particle size above the upper limit and at most 2% by weight of the powder have a particle size below the lower limit. Particle size was measured by laser diffraction according to ISO 13320-1 1999.

분말의 형상(형태)은 또한 확산 거동을 규정하는 데 중요하다. 구형 형상은 보다 안정적인 흐름 및 확산 작용을 야기하고, 그 결과 다공성 및 표면 품질과 같은 결함이 더 적다. 따라서, 이러한 방법에 의해 제조된 금속 분말은 구형 형상을 나타내기 때문에, 새로운 Al-기반 분말을 제조할 때 가스 분무가 바람직하다.The shape (morphology) of the powder is also important in defining its diffusion behavior. The spherical shape results in more stable flow and diffusion behavior, resulting in fewer defects such as porosity and surface quality. Therefore, gas atomization is preferred when producing new Al-based powders because the metal powders produced by this method exhibit a spherical shape.

본 발명에 따른 Al-기반 분말은 응고 속도가 충분하다면, 여러 적층 제조 공정에서 기능할 수 있다. 전자 빔 용융 및 직접 에너지 증착에 의한 AM은 이들 요건을 충족시키는 공정이며, 공정은 레이저 분말층 융합 공정을 이용하여 하기에 예시된다.Al-based powders according to the present invention can function in several additive manufacturing processes, provided the solidification rate is sufficient. AM by electron beam melting and directed energy deposition are processes that meet these requirements, and the process is illustrated below using a laser powder bed fusion process.

실시예Example

실시예 1Example 1

Al-기반 분말의 조성을 설계하기 위해 ICME(집적 전산 재료 공학) 전략을 적용하였다. CALPHAD(상 다이어그램 계산(CALculation of Phase Diagram)) 유형 계산을 사용하여 새로운 합금의 합금 조성을 최적화하였다.An integrated computational materials engineering (ICME) strategy was applied to design the composition of Al-based powder. The alloy composition of the new alloy was optimized using CALPHAD (CALculation of Phase Diagram) type calculations.

CALPHAD 계산은 Al-합금에 대한 조성 공간 내의 모든 가능한 상의 충분한 열역학적 설명을 포함한다. 이러한 기초를 이용하여, 예상되는 상 및 이들의 조성의 예측이 우수한 정확도로 이루어진다. 결과는 평형 상태에 대해 유효하다.CALPHAD calculations include a sufficient thermodynamic description of all possible phases in composition space for Al-alloys. Using this basis, predictions of the expected phases and their compositions are made with good accuracy. The results are valid for equilibrium conditions.

LPBF에 의해 제조된 물질에서, 급속 응고의 결과로 미세구조 및 상이 존재한다. 평형 계산은 이러한 미세구조의 해석과 관련이 없다. 그러나, 조성 공간에서의 열역학적 관계 및 상 관계는 상 형성의 동역학적 설명을 연관시킴으로써 상 형성 경향을 평가하는 데 사용될 수 있다. 이를 수행하기 위해, 확산 과정, 핵형성 및 성장이 열역학적 설명과 함께 고려되었다.In materials prepared by LPBF, microstructures and phases are present as a result of rapid solidification. Equilibrium calculations are not relevant to the analysis of these microstructures. However, thermodynamic and phase relationships in composition space can be used to evaluate the tendency of phase formation by correlating a kinetic description of phase formation. To accomplish this, diffusion processes, nucleation and growth were considered along with thermodynamic explanations.

CALPHAD 유형 계산을 사용하여 응고 경로뿐만 아니라 마지막 용융물의 영역에서 합금화 원소의 분리 경향을 예측하였다. 이러한 분리는 균열 없는 응고 구조에 대해 제한되어야 한다.CALPHAD type calculations were used to predict the separation tendency of alloying elements in the final melt region as well as the solidification path. This separation should be limited to a crack-free solidified structure.

제1 단계에서, 고온 균열을 피하기 위해 안정한 응고 경로를 갖는 합금을 얻기 위한 계산을 사용하여 잠정적 조성을 결정하였다.In the first step, a tentative composition was determined using calculations to obtain an alloy with a stable solidification path to avoid hot cracking.

그 후, 합금에 대한 조성 공간을 계산하고 합금화 원소의 최대 한계를 결정하였다. 조성 한계는 급속 응고 시 형성될 상을 계산함으로써 결정하였다. 표 3의 표시된 한계를 벗어나면 원치 않는 상이 형성되어 분무 공정에 문제를 일으키거나 기계적 성질이 저하된다.The composition space for the alloy was then calculated and the maximum limits for alloying elements were determined. Composition limits were determined by calculating the phases that would form upon rapid solidification. Outside the limits indicated in Table 3, undesirable phases may form, causing problems in the spraying process or reducing mechanical properties.

상 평형의 계산을 합금화 시스템의 동역학적 설명과 결합시킴으로써, 이차 경화 상의 핵형성, 성장 및 조대화를 시뮬레이션하였다. 이러한 방법에 의해 합금 조성을 열처리 동안 이차 경화 상의 침전을 최적화하도록 조정하였다.By combining the calculation of phase equilibria with a kinetic description of the alloying system, the nucleation, growth and coarsening of the secondary hardening phase were simulated. By this method the alloy composition was adjusted to optimize precipitation of the secondary hardening phase during heat treatment.

CALPHAD 계산을 상이한 강화 메커니즘, 용체 강화, 침전 강화 및 결정립 정제 강화를 설명하는 모델과 결합시켰다.CALPHAD calculations were coupled with a model that accounts for the different strengthening mechanisms, solution strengthening, precipitation strengthening and grain purification strengthening.

이러한 합금에 대한 주요 강화 메커니즘은 용체 강화인 것으로 밝혀졌다. 침전 경화 및 결정립 정제 강화가 또한 합금의 강도에 기여하는 것으로 확인되었다. 이들 강화 메커니즘의 조합은 새로운 합금의 성질을 결정한다.The main strengthening mechanism for these alloys was found to be solution strengthening. Precipitation hardening and grain refinement strengthening were also found to contribute to the strength of the alloy. The combination of these strengthening mechanisms determines the properties of the new alloy.

하기 표 3은 원치 않는 상의 형성과 관련하여 합금화 범위를 결정하기 위해 수행된 계산의 결과를 보여준다. 용체 강화를 달성하기 위해, 원치 않는 상을 형성하지 않으면서 가능한 가장 많은 양의 합금화 원소를 확인하였다.Table 3 below shows the results of calculations performed to determine alloying extent with respect to the formation of undesirable phases. To achieve solution strengthening, the highest possible amount of alloying elements was identified without forming unwanted phases.

표 3에서 "x"로 표시된 조성물은 원치 않는 상의 존재와 관련하여 허용되며, 합금화 효과와 관련하여 임의의 "x"가 없는 조성물은 허용되지 않는다.Compositions marked with an "x" in Table 3 are acceptable with respect to the presence of undesirable phases, while compositions without any "x" are unacceptable with respect to alloying effects.

용융물 또는 고체 상에서 Cr 함유 침전물의 형성은 이들이 용체로부터 Cr을 제거하기 때문에 용체 경화 기여를 감소시킬 것이다. 용융물 중에 고온에서 형성된 침전물은 조대화되고 침전 경화 효과를 제공하지 않을 것이다.The formation of Cr-containing precipitates in the melt or solid phase will reduce the solution hardening contribution because they remove Cr from the solution. Precipitates formed at high temperatures in the melt will coarsen and will not provide a precipitation hardening effect.

용융물 또는 고체 상에서 Mn-함유 침전물의 형성은 용체 경화 기여를 감소시킬 것이다. 큰 일차 침전물은 침전 경화에 기여하지 않는다. 너무 큰 분율의 1차 침전물은 분무 노즐의 막힘 및 생산 중단을 초래할 것이다.The formation of Mn-containing precipitates in the melt or solid phase will reduce the solution hardening contribution. Large primary precipitates do not contribute to precipitation hardening. Too large a fraction of primary deposits will cause clogging of the spray nozzles and production stoppages.

표 3Table 3

실시예 2Example 2

컴퓨터로 유추된 합금 조성을 사용하여 표 4에 따른 화학 조성을 갖는 4개의 상이한 가스 분무된 Al-기반 분말, A, B, C, 및 D를 제조하였다. 상이한 인쇄 파라미터를 사용하여 여러 부품을 인쇄하였다. 특히 레이저 출력 및 레이저 속도는 넓은 범위에 걸쳐 다양했다.Four different gas atomized Al-based powders, A, B, C, and D, with chemical compositions according to Table 4 were prepared using computer-derived alloy compositions. Several parts were printed using different printing parameters. In particular, laser power and laser speed varied over a wide range.

제조된 물품의 상대 밀도가 98.5% 초과인 큰 영역이 발견되었다(도 2 참조).Large areas were found where the relative density of the manufactured article was greater than 98.5% (see Figure 2).

광학 현미경에 의한 추가 조사는 어떠한 균열도 없는 단일-상 구조를 나타냈다. ISO 6507-1 - 2018에 따른 비커스 경도(Vickers hardness), HV0.3은 인쇄된 상태의 조건에서뿐만 아니라 열처리된 조건에서 측정되었으며, 결과는 도 3에 제시되어 있다. 합금 A, C 및 D는 시효 경화 가능하며, 특히 합금 C 및 D에 대한 경도는 130 HV0.3 바로 아래로 상당히 증가한다는 것을 알 수 있다.Further examination by optical microscopy revealed a single-phase structure without any cracks. Vickers hardness according to ISO 6507-1 - 2018, HV0.3, was measured in as-printed as well as heat-treated conditions, and the results are presented in Figure 3. Alloys A, C and D are age hardenable, and it can be seen that the hardness in particular for alloys C and D increases significantly to just below 130 HV0.3.

표. 4graph. 4

크로뮴의 효과Effects of Chromium

실험으로부터, 크로뮴의 효과는 주로 용체 강화이지만, 중요하고 놀랍게도, 크로뮴은 또한 침전 경화 순서에 영향을 미친다는 것이 추론될 수 있다. 이는 개선된 성질 및 온도 저항성을 갖는 합금을 생성한다.From the experiments, it can be deduced that the effect of chromium is mainly solution strengthening, but importantly and surprisingly, chromium also affects the precipitation hardening sequence. This produces an alloy with improved properties and temperature resistance.

인쇄된 상태의 샘플은 침전이 없는데(실험적으로 검증됨), 이는 모든 침전이 경화 열처리 동안 유도됨을 의미한다. 따라서, 침전의 순서는 조성에 의해 영향을 받는다.The as-printed samples are precipitation-free (verified experimentally), meaning that all precipitation is induced during the curing heat treatment. Therefore, the order of precipitation is influenced by composition.

678K에서의 침전 경화 열처리는 Al6(Mn,Cr), Al12(Mn,Cr), Al3Zr의 순차적 침전에 의해 합금을 경화시킨다. 합금에서 크로뮴의 양은 침전 순서를 좌우하고 침전물의 양 및 조대화에 대한 이들의 안정성을 결정할 것이다. 이는 성질이 본원에 상세히 기재된 바와 같은 특정량의 Cr에 결정적으로 의존적임을 의미한다.Precipitation hardening heat treatment at 678K hardens the alloy by sequential precipitation of Al 6 (Mn,Cr), Al 12 (Mn,Cr), and Al 3 Zr. The amount of chromium in the alloy will dictate the precipitation sequence and determine the amount of precipitates and their stability against coarsening. This means that the properties are critically dependent on the specific amount of Cr as detailed herein.

크로뮴이 없는 유사한 물질과 비교하여 크로뮴을 포함하는 본 발명의 합금의 이점은 강도가 더 높지만, 중요하게는 그리고 놀랍게도 또한 산업적 적용을 위한 중요한 파라미터인 증가된 온도 안정성이다.The advantage of the alloys of the invention comprising chromium compared to similar materials without chromium is higher strength, but importantly and surprisingly also increased temperature stability, which is an important parameter for industrial applications.

Cr의 효과는 도 3에서 입증된다. 경화 곡선은 하기를 나타낸다:The effect of Cr is demonstrated in Figure 3. The cure curve shows:

● 합금 A(AlMnZr): 약 90 HV로 시작하여 105 내지 110 HV까지만 피크.● Alloy A (AlMnZr): Starts around 90 HV and peaks only around 105 to 110 HV.

● 합금 B(AlMnCr): 약 98 HV로 시작하여 648 K에서 115 HV까지 피크.● Alloy B (AlMnCr): Starts at approximately 98 HV and peaks at 648 K to 115 HV.

● 합금 C(AlMnCrZr - 본 발명): -103 HV로 시작하여 648 K에서 140 HV까지 피크.● Alloy C (AlMnCrZr - present invention): starts at -103 HV and peaks at 648 K to 140 HV.

● 합금 D(AlMnCrZr - 본 발명): -103 HV로 시작하여 648 K에서 140 HV까지 피크.● Alloy D (AlMnCrZr - invention): starts at -103 HV and peaks at 648 K to 140 HV.

이 실험은 크로뮴이 경화 속도를 어떻게 변경시켰는지 명확하게 보여준다. 합금 A는 20 HV(90 -> 110 HV)로 경화되지만, 합금 C, D는 35 HV(103 -> 140 HV)로 경화된다. 경화 속도는 침전 순서를 반영하는 반면, 인쇄된 상태의 경도는 용체 경화 효과를 반영한다. 합금에 대한 크로뮴의 영향은 둘 모두의 조합이다.This experiment clearly shows how chromium changed the cure rate. Alloy A hardens at 20 HV (90 -> 110 HV), while alloys C and D harden at 35 HV (103 -> 140 HV). Cure speed reflects the precipitation sequence, while as-printed hardness reflects the effect of solution cure. The effect of chromium on the alloy is a combination of both.

여기서, 상이한 침전물 사이의 Mn 및 Cr의 재배열에 의해 조대화 속도가 느려지고, 경화 효과가 더 오랜 시간 동안 유지되어 더 우수한 온도 안정성을 제공함으로써 놀라운 상승작용적 효과가 관찰된다.Here, a surprising synergistic effect is observed whereby the rearrangement of Mn and Cr between different precipitates slows down the coarsening rate and the hardening effect is maintained for a longer time, providing better temperature stability.

곡선은 크로뮴이 경화의 시작에 중요한 영향을 미친다는 것을 보여준다. 단독으로, 크로뮴은 요망되는 성질을 갖는 합금을 제공하지 않을 것이다. 크로뮴이 지르코늄과 조합될 때, 이의 경화 효과는 더 오랜 시간 동안 유지된다.The curve shows that chromium has a significant effect on the onset of hardening. Alone, chromium will not provide an alloy with the desired properties. When chromium is combined with zirconium, its hardening effect is maintained for a longer time.

Mn 및 Zr만 있고 Cr은 없는 합금은 유의하게 더 낮은 경도를 갖는다. 더 높은 함량의 Mn 및 Zr은 이를 개선하지 않을 것이다.The alloy with only Mn and Zr but no Cr has significantly lower hardness. Higher contents of Mn and Zr will not improve this.

실시예 3Example 3

실시예 2에 따른 합금 D 및 공지된 단조 합금 6081, 7075 및 A360.0에 대한 응고 거동을 실시예 1에서 또한 사용된 바와 같이, Scheil-Gulliver 방법 및 CALPHAD 방법을 사용하여 시뮬레이션하였다.The solidification behavior for Alloy D according to Example 2 and the known wrought alloys 6081, 7075 and A360.0 was simulated using the Scheil-Gulliver method and the CALPHAD method, as also used in Example 1.

도 1은 시뮬레이션의 결과를 보여준다. 완전한 응고에 가까운 영역만이 다이어그램에 포함되며, 고체 분율은 0.8(80%) 내지 1(100%)의 범위임을 주지한다. 단조 합금 6061 및 7075는 특히 7075가 응고의 말미에 가깝게 가파른 기울기를 나타내는 경사 곡선을 나타내는 것을 알 수 있다. 이러한 거동은 응고의 말미에 고온 균열을 형성하는 물질에 대해 전형적이다. 주조 합금 A360.0은 완전한 응고에 가깝게 단지 약간의 강하로 훨씬 더 우수한 거동을 나타낸다. 본 발명의 합금 D는 응고 말미에 이러한 강하를 나타내지 않는다.Figure 1 shows the results of the simulation. Note that only the region close to complete solidification is included in the diagram, and the solid fraction ranges from 0.8 (80%) to 1 (100%). It can be seen that wrought alloys 6061 and 7075 exhibit slope curves, with 7075 in particular exhibiting a steep slope near the end of solidification. This behavior is typical for materials that form hot cracks at the end of solidification. Cast alloy A360.0 shows much better behavior with only a slight drop close to complete solidification. Alloy D of the present invention does not exhibit this drop at the end of solidification.

개별 응고 균열 감수성 지수, S를 각각의 합금에 대해 결정하였고, 결과는 하기 표 5에 나타나 있다.The individual solidification cracking susceptibility index, S, was determined for each alloy and the results are shown in Table 5 below.

표 5Table 5

실시예 4Example 4

상기 상세한 실험(실시예 1 및 표 3)에서, 개별적으로, Fe 및 Si가 LPBF-인쇄에 대한 본 발명의 Al-기반 분말의 적합성에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 최대 0.7%wt로 존재할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이는 본 발명의 Al-기반 분말을 형성하는 데 사용하기 위한 원료에 대한 변형을 감소시키고, 보다 저렴한 재순환된 Al-기반 생성물이 본 발명의 분말을 형성하는 데 사용될 수 있기 때문에 유리하다.From the detailed experiments above (Example 1 and Table 3), it was shown that, individually, Fe and Si could be present at up to 0.7% wt without negatively affecting the suitability of the Al-based powder of the invention for LPBF-printing. It turns out. This is advantageous because it reduces strain on the raw materials for use in forming the Al-based powders of the present invention, and less expensive recycled Al-based products can be used to form the Al-based powders of the present invention.

상기 상세히 기재된 바와 같은 수치 실험(실시예 1)에서, 본 발명의 합금의 균열 감수성에 대한 Fe 및 Si의 효과를, 이들 불순물 중 둘 모두가 본 발명의 Al-기반 분말을 형성시키는 데 사용되는 원료에 있는 경우, Fe와 Si의 함량에 대한 제한이 존재하는지를 결정하기 위해 추가로 조사하였다. In numerical experiments as detailed above (Example 1), the effect of Fe and Si on the cracking susceptibility of the alloys of the present invention was determined when both of these impurities were present in the raw materials used to form the Al-based powders of the present invention. , were further investigated to determine whether limits exist for the content of Fe and Si.

도 4에 도시된 바와 같이, 응고 온도는 총 Fe와 Si 함량에 의존적인 것으로 밝혀졌다. 이들 원소의 총 함량이 높을수록, 본 발명의 분말을 사용하여 LPBF-인쇄된 물체에서 고온-균열과 관련된 문제를 일으킬 낮은 응고 온도를 갖는 용융물을 형성할 위험이 더 커진다.As shown in Figure 4, the solidification temperature was found to be dependent on the total Fe and Si contents. The higher the total content of these elements, the greater the risk of forming a melt with a low solidification temperature that will cause problems with hot-cracking in LPBF-printed objects using the powders of the present invention.

따라서, 개별적으로 Fe와 Si 둘 모두는 너무 낮은 응고 온도로 용융물의 존재를 일으키지 않고 0.7%wt까지 존재할 수 있지만, 총 합한 농도는 또한 0.7%wt를 초과하지 않아야 한다. 도 4로부터, 바람직하게는 Fe와 Si의 총량은 0.5%wt를 초과하지 않아야 하고, 더욱 더 바람직하게는 0.2%wt를 초과하지 않아야 한다는 결론이 나온다.Therefore, both Fe and Si individually can be present up to 0.7% wt without causing the presence of a melt with a solidification temperature that is too low, but their combined concentration should also not exceed 0.7% wt. From Figure 4, it follows that preferably the total amount of Fe and Si should not exceed 0.5%wt, and even more preferably should not exceed 0.2%wt.

실시예 5Example 5

본원에 보고된 LBPR-인쇄된 물체에 대한 추가 실험에서, 실시예 2 하의 실험과 비교한 분말 변형예를 질소 가스 분무 공정에 의해 제조하였고, 제조된 분말은 20 내지 53 μm의 공칭 입도 범위로 분류되었다.In further experiments with LBPR-printed objects reported herein, powder variants compared to the experiments under Example 2 were prepared by a nitrogen gas atomization process, and the produced powders fell into the nominal particle size range of 20 to 53 μm. It has been done.

표 6에 제시된 바와 같은 최종 화학 조성을 갖는 4개의 카테고리의 분말 등급이 설계되었다. 입도 분포를 Malvern UK로부터의 Mastersizer 3000을 사용하여 ISO 13320-1 1999에 따라 레이저 회절에 의해 측정하고, 측정을 5회 반복하였다(표 7 및 도 5 참조).Four categories of powder grades were designed with final chemical compositions as shown in Table 6. The particle size distribution was determined by laser diffraction according to ISO 13320-1 1999 using a Mastersizer 3000 from Malvern UK and the measurements were repeated five times (see Table 7 and Figure 5).

언급된 입도 범위는 최대 2 중량%의 분말이 상한 초과의 입도를 갖고 최대 2 중량%의 분말이 하한 미만의 입도를 갖는 것을 의미한다.The stated particle size range means that at most 2% by weight of the powder have a particle size above the upper limit and at most 2% by weight of the powder have a particle size below the lower limit.

실험은 높은 균일성을 갖는 Al-기반 분말을 형성시키기 위한 본 발명의 Al-기반 합금의 적합성을 명백히 보여주었다.The experiments clearly demonstrated the suitability of the Al-based alloy of the present invention for forming Al-based powders with high uniformity.

표 6: 합금 조성Table 6: Alloy composition

표 7: 입도 분포Table 7: Particle size distribution

실시예 6Example 6

전체 밀도를 확립하기 위한 LB-PBF 가공 및 실험 설계를 후속 실험에서 시험하였다.LB-PBF processing and experimental design to establish overall density were tested in subsequent experiments.

실시예 5로부터의 분말의 상이한 변형예를 40 μm 스폿 크기, 200 W(170W 공칭 전력) Yb-섬유 레이저로 EOS M100 기계에서 가공하였다. 샘플을 초기에 67°의 정상 스캔 회전과 함께 주 처리 입력으로서 170 W 전력, 0.13 mm 해치 거리, 1000 mm/s 속도 및 0.03 mm 층 두께를 유지하면서 인쇄하였다.Different variants of the powder from Example 5 were processed on an EOS M100 machine with a 40 μm spot size, 200 W (170 W nominal power) Yb-fiber laser. Samples were initially printed with a normal scan rotation of 67° maintaining 170 W power, 0.13 mm hatch distance, 1000 mm/s speed and 0.03 mm layer thickness as main processing input.

분말 샘플을 모든 인쇄 전 4시간 동안 353 K에서 건조 절차에 의해 컨디셔닝하였다.Powder samples were conditioned by a drying procedure at 353 K for 4 hours before every printing.

샘플을 챔버에서 가스 흐름의 방향을 표시하도록 설계된 10mm x 10mm x 10mm의 입방체로 인쇄하였다(도 6에 도시됨). 인쇄 후 샘플을 톱으로 절단하였다.Samples were printed as 10 mm x 10 mm x 10 mm cubes designed to indicate the direction of gas flow in the chamber (shown in Figure 6). After printing, the sample was cut with a saw.

물질의 가공성은 도 2에 도시된 바와 같이, 높은 상대 밀도(약 99.5%)로 관심 조건을 확인하기 위해 간단한 입방 요인 설계에 기초하여 추가로 유추하였다.The processability of the material was further inferred based on a simple cubic factorial design to confirm the condition of interest with high relative density (approximately 99.5%), as shown in Figure 2.

이러한 실험 설계(DOE)는 고밀도 가공을 위한 조건을 확인하기 위해 주 가공 입력과 비교하여 초기 변수로서 해치 거리 및 레이저 속도를 사용하여 수행하였다.This design of experiment (DOE) was performed using hatch distance and laser speed as initial variables compared to the main machining inputs to identify conditions for high-density machining.

이후, 가공 파라미터 윈도우를 확인하고 모든 관심 지점에 대해 3개의 추가 샘플을 인쇄함으로써 값이 실험적으로 허용되는지 확인하기 위해 제2 DOE를 수행하였다.Afterwards, a second DOE was performed to ensure that the values were experimentally acceptable by checking the processing parameter window and printing three additional samples for all points of interest.

마지막으로, 4차 합금 중 하나(합금 D)에 대해 제3 DOE를 수행하여 DOE에서 제3 변수로서 레이저 출력으로 완전한 3차원 설계를 제조하였다.Finally, a third DOE was performed on one of the quaternary alloys (alloy D) to fabricate a complete three-dimensional design with laser power as the third variable in the DOE.

표 8은 DOE에서 각 합금에 사용된 가공 파라미터의 범위를 요약한 것이다.Table 8 summarizes the range of processing parameters used for each alloy in the DOE.

표 8: 실험 설계(DOE)를 위한 가공 파라미터의 요약Table 8: Summary of processing parameters for design of experiment (DOE)

이어서, 샘플의 상대 밀도를 단면의 광학 현미경으로부터 결정하였다. 조사된 섹션을 도 6에 도시된 바와 같이 3개의 면을 따라 관찰하였다.The relative density of the sample was then determined from light microscopy of the cross section. The irradiated section was observed along three planes as shown in Figure 6.

다공도를 확인하고 회수하기 위해, 이후 보고된 전체 다공도 값에 대한 배향 효과를 최소화하기 위해 3개의 면 모두에 대한 결과를 얻고 각 샘플에 대해 평균을 냈다. ImageJ 소프트웨어 및 면 당 대략 30 내지 50 mm2 면적을 갖는 각 샘플의 섹션을 사용하여 이미지 분석을 수행하였다.To determine and retrieve porosity, results for all three planes were obtained and averaged for each sample to minimize orientation effects on the overall porosity values subsequently reported. Image analysis was performed using ImageJ software and sections of each sample with an area of approximately 30 to 50 mm 2 per side.

>95% 상대 밀도에 도달하는 것을 목표로 모든 4개의 합금의 인쇄성을 평가하기 위해 제1 DOE를 수행하였다.A first DOE was performed to evaluate the printability of all four alloys with the goal of reaching >95% relative density.

인쇄 파라미터는 EOS M290 기계에 대한 적절한 설정으로부터 개발되었고, 더 낮은 출력 및 더 작은 레이저 스폿 크기에 대한 보상으로 EOSM1OO에서의 가공에 적합하도록 수정되었다.Printing parameters were developed from appropriate settings for the EOS M290 machine and modified to suit processing on the EOSM1OO with compensation for lower power and smaller laser spot size.

이에 기초하여, 170W의 고정 레이저 출력 및 0.03 mm의 층 두께이되, 500 내지 1500 mm/s의 스캔 속도 및 0.1 내지 0.15 mm의 해치 거리로 입방 DOE를 설정하였다.Based on this, the cubic DOE was set with a fixed laser power of 170 W and a layer thickness of 0.03 mm, with a scan speed of 500 to 1500 mm/s and a hatch distance of 0.1 to 0.15 mm.

총 13개의 샘플을 각 합금에 대해 이러한 DOE로 인쇄하였고, 결과를 도 8에 도시된 바와 같이 표면 플롯으로 측정하였다.A total of 13 samples were printed with these DOEs for each alloy, and the results were measured as surface plots as shown in Figure 8.

이어서, 상기 언급된 파라미터에 대한 표적 상대 밀도의 존재를 확인하기 위해 제2 DOE를 수행하였다.A second DOE was then performed to confirm the existence of a target relative density for the above-mentioned parameters.

총 12개의 샘플을 인쇄하였고, 생성된 표면 플롯은 도 7a) 및 b)에 도시되어 있다.A total of 12 samples were printed and the resulting surface plots are shown in Figures 7a) and b).

이러한 제2 DOE에 따라, 최대 상대 밀도(170 W 전력, 0.1 mm 해치 거리 및 1500 mm/s 레이저 속도)에 대한 파라미터 설정을 사용하여 모든 합금에 대한 다수 샘플(60 내지 75개 샘플)을 인쇄하는 데 사용되도록 표적 상대 밀도 훨씬 초과를 확립하였다.According to this second DOE, multiple samples (60 to 75 samples) for all alloys are printed using parameter settings for maximum relative density (170 W power, 0.1 mm hatch distance and 1500 mm/s laser speed). It was established that the relative density far exceeds the target to be used.

마지막으로, 해치 거리 및 속도에 따라 레이저 출력을 변경하여, DOE를 또한 21개의 샘플을 포함하는 유사한 개념으로 설계하였다. 여전히, 가공 파라미터의 범위는 고밀도 샘플(>98% 상대 밀도)만을 예상하도록 보수적으로 유지되었다. 제3 DOE로부터 생성된 표면 플롯은 도 9a) 내지 b)에 도시되어 있다.Finally, by varying the laser power depending on the hatch distance and speed, a DOE was also designed with a similar concept containing 21 samples. Still, the range of processing parameters was kept conservative to expect only high density samples (>98% relative density). Surface plots generated from the third DOE are shown in Figures 9a)-b).

최종 가공 윈도우는 3개의 DOE로부터의 모든 결과를 중첩시킨 후 유추하여, 도 9c) 내지 d)에 도시된 표면 플롯에 따라 비교적 고밀도(>99%)를 초래하는 가공 파라미터 윈도우를 나타냈다.The final processing window was inferred after overlapping all results from the three DOEs, showing the processing parameter window resulting in relatively high density (>99%) according to the surface plots shown in Figures 9c)-d).

실시예 7 - 미세구조 평가 및 기계적 시험Example 7 - Microstructural evaluation and mechanical testing

모든 샘플을 3개의 면 모두의 중심 가까이에서 절단한 후(도 6에 도시됨) Polyfast(Struers로부터)로 불리는 에폭시-기반 열경화성 수지에 장착함으로써 제조하였다. 이어서, Struers TegraPol 31 기계에서 Al-합금에 대한 표준 Struers 제조에 따라 샘플을 그라인딩/연마하였다. 용융 푸울 경계를 가시적으로 만들기 위해 표준 켈러 시약을 사용하여 샘플을 에칭하였다.All samples were prepared by cutting close to the center of all three sides (shown in Figure 6) and then mounting them in an epoxy-based thermoset called Polyfast (from Struers). The samples were then ground/polished according to standard Struers manufacturing for Al-alloys on a Struers TegraPol 31 machine. Samples were etched using standard Keller reagent to make the melt pool boundaries visible.

실시예 8 - X-선 회절Example 8 - X-ray diffraction

샘플의 X-선 회절(XRD)은 0.007°의 단차 크기 및 68.59 s로서의 스캔 단차 시간으로 20°내지 100°2θ 사이에서 스캐닝된, 발생기 설정으로서 40 mA 및 45 kV와 함께 Cu 공급원(Kα = 1.5406Å)으로 Bragg-BrentanoHD X-선 기계를 사용하여 미세하게 분쇄된 샘플(2000 그리트 크기까지)에 대해 수행하였다. X-ray diffraction (XRD) of the sample was scanned between 20° and 100°2θ with a step size of 0.007° and scan step time as 68.59 s, Cu source (Kα = 1.5406 Å) on finely ground samples (up to 2000 grit size) using a Bragg-BrentanoHD X-ray machine.

X-선 회절을 인쇄된 상태의 조건에서 모든 4개의 합금(A, B, C, D)에 대해 수행하였다. 이를 고밀도(>99%)의 샘플에 대해 수행하였다.X-ray diffraction was performed on all four alloys (A, B, C, D) under as-printed conditions. This was performed on samples with high density (>99%).

도 10에 제시된 XRD 플롯에서, 4개의 합금 모두가 피크로부터 유사한 정보를 나타내는 것으로 관찰되었다. Al 피크는 순수한 Al에 대해 예상되는 위치와 비교하여 더 높은 각도(20°)로 이동하는 것으로 나타났으며, 이는 고용체에 용해된 용질에 기인한다. 4개의 합금 모두에서 관찰된 작은 피크는 40.4° 및 43.0°에서 관찰되었으며(도 8b의 확대도 참조), 이는 또한 이후 SEM 분석을 통해 확인된 Al-Mn 침전물에 기인한다.In the XRD plot presented in Figure 10, it was observed that all four alloys showed similar information from the peaks. The Al peak was found to shift to a higher angle (20°) compared to the position expected for pure Al, which is attributed to the solute dissolved in solid solution. Small peaks observed for all four alloys were observed at 40.4° and 43.0° (see enlarged view in Figure 8b), which were also attributed to Al-Mn precipitates, which were later confirmed through SEM analysis.

도 11은 합금에서 각각의 합금화 원소의 함량을 Al 피크 이동과 상관시키려는 시도를 나타낸다. 이는 각 원소의 효과가 문헌[T. Uesugi and K. Higashi, "First-principles studies on lattice constants and local lattice distortions in solid solution aluminum alloys," Computational Materials Science, vol. 67, pp. 1-10, 2013]에 기초한 이원 Al 합금에 대한 제1 원리 계산에 의해 계산되는 '혼합물의 법칙(rule of mixtures)' 접근법을 이용함으로써 수행하였다. 계산에 대한 유일한 수정은 순수-A1의 출발점이 Uesugi에서 가정된 바와 같이 4.016 Å 대신에 4.0478 Å(PDF nr. 0040787)로 수정한 것이었고, 그 이유는 이 값이 DIFFRAC.EVA 소프트웨어에 따라 훨씬 더 신뢰할 수 있는 것으로 나타났기 때문이다. Figure 11 represents an attempt to correlate the content of each alloying element in the alloy with the Al peak shift. This means that the effect of each element is described in the literature [T. Uesugi and K. Higashi, “First-principles studies on lattice constants and local lattice distortions in solid solution aluminum alloys,” Computational Materials Science, vol. 67, pp. 1-10, 2013], using a 'rule of mixtures' approach calculated by first principles calculations for binary Al alloys. The only modification to the calculations was to correct the starting point of pure-A1 to 4.0478 Å instead of 4.016 Å as assumed in Uesugi (PDF nr. 0040787), because this value is much higher according to the DIFFRAC.EVA software. This is because it has been shown to be trustworthy.

따라서, 각 원소의 효과는 4.016 Å에 대해 플롯팅되었고, 선형 피트는 4.016 Å 대신 4.0478 Å에서 출발하여 외삽되었다(도 10a에 도시됨). 이어서, 값을, 도 10b)에 도시된 바와 같이, 약 45°에서 가장 강한 Al-피크로부터 유추된 실험 값에 대해 값을 검증하였다. 실험치 및 계산치 격자 파라미터는 0.01 Å인 것으로 관찰될 수 있다.Therefore, the effect of each element was plotted against 4.016 Å, and the linear fit was extrapolated starting at 4.0478 Å instead of 4.016 Å (shown in Figure 10A). The values were then verified against the experimental value deduced from the strongest Al-peak at about 45°, as shown in Figure 10b). The experimental and calculated lattice parameter can be observed to be 0.01 Å.

실시예 9 - 광학 현미경Example 9 - Light Microscopy

10X 광학 줌에서 최대 50 mm2의 단면 이미지의 스티칭을 가능하게 하는 자동화 규모를 갖는 ZEISS Axioscope 7 기기에서 광학 현미경을 수행하였다.Optical microscopy was performed on a ZEISS Axioscope 7 instrument with an automated scale that allows stitching of cross-sectional images up to 50 mm 2 at 10X optical zoom.

분무 시 상태에서, 분말 변형예의 수지상 구조는 켈러 시약으로 에칭한 후 명확하게 보였다. 도 12는 분무 공정 동안 형성된 수지상 구조를 예시하는 합금 C에 대한 광학 현미경 이미지를 보여준다.In the as-spray state, the dendritic structure of the powder variant was clearly visible after etching with Keller's reagent. Figure 12 shows an optical microscope image for Alloy C illustrating the dendritic structures formed during the spraying process.

합금 D의 모든 3개의 절단 섹션으로부터 저배율의 광학 현미경 이미지를 또한 평균 99.56%의 상대 밀도를 갖는 공칭적으로 완전히 조밀한 구조를 나타내도록 연마 후 인쇄 시 상태로 촬영하였다. 대표 이미지는 이전에 정의된 바와 같이 3개의 절단 면 모두에 대해 도 13에 도시되어 있다.Low magnification optical microscopy images from all three cut sections of Alloy D were also taken as-printed after polishing to reveal a nominally fully dense structure with an average relative density of 99.56%. Representative images are shown in Figure 13 for all three cutting planes as previously defined.

모든 샘플을 분석할 때, 알루미늄 합금의 LPBF 인쇄된 물체에 대해 관찰된 바와 같이 두 가지 유형의 공통 결함이 인지되었다. 도 14 (a) 내지 (b)의 첫 번째 것은 레이저 출력이 너무 높거나 스캔 속도가 너무 작을 때 발생하는 키홀 다공도 또는 가스 다공도를 나타내는 것으로 여겨졌는데; 이는 용융된 층이 특정 경우에 입자 방출 또는 증발 지점임을 의미한다. 도 14(c) 내지 (d)의 다른 하나는, 너무 낮은 레이저 출력 또는 너무 높은 스캔 속도가 있을 때 발생하는 융합 유형의 다공도의 결여를 나타내며, 결과적으로 층을 용융시키고 층을 이웃 층에 결합시키는 조건은 충분하지 않다.When analyzing all samples, two types of common defects were recognized as observed for LPBF printed objects of aluminum alloy. The first one in Figures 14(a)-(b) was believed to represent keyhole porosity or gas porosity that occurs when the laser power is too high or the scan speed is too small; This means that the molten layer is the point of particle emission or evaporation in certain cases. The other in Figures 14(c)-(d) shows the lack of fusion type porosity that occurs when there is too low a laser power or too high a scan speed, resulting in melting the layers and bonding them to neighboring layers. The conditions are not sufficient.

따라서, 관찰된 다공도는 최적화되지 않은 LPBF-인쇄 조건 하에 최대 다공도를 나타낼 가능성이 있다.Therefore, the observed porosity likely represents the maximum porosity under non-optimized LPBF-printing conditions.

실시예 10 - 전자 현미경Example 10 - Electron Microscopy

전계 방출 건(field-emission gun)이 장착된 Leo Gemini 1550 SEM에서 미세구조 평가를 수행하였다. 필요한 영상 대비의 유형에 따라, 이차 전자(SE) 및 후방 산란 전자(BSE) 수신기로 영상화를 수행하였다.Microstructural evaluation was performed on a Leo Gemini 1550 SEM equipped with a field-emission gun. Depending on the type of imaging contrast required, imaging was performed with secondary electron (SE) and backscattered electron (BSE) receivers.

조성 분석을 위해 INCA X-sight 소프트웨어와 결합된 이차 전자 수용체로 미세분석을 위한 X-선 에너지 분산형 분광법(EDS)을 수행하였다.For compositional analysis, X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS) for microanalysis was performed with a secondary electron acceptor coupled with INCA X-sight software.

선택된 샘플을 미세분석을 위해 전계 방출 건 소스로 Zeiss Gemini SEM 450 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 분석하였다. 현미경은 서브-마이크론 분해능에서 미세구조의 원소 맵핑을 가능하게 하는 Bruker Quantax FlatQuad 에너지 분산형 X-선 분광법(EDX) 검출기에 적합하였다.Selected samples were analyzed using a Zeiss Gemini SEM 450 scanning electron microscope (SEM) with a field emission gun source for microanalysis. The microscope was fitted with a Bruker Quantax FlatQuad energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) detector, which allows elemental mapping of microstructures at sub-micron resolution.

분무 시 상태의 분말은 모든 합금에 대해 순수한 수지상 구조를 나타냈다. 도 15a는 합금 C의 입자의 단면도를 예시한다. 고배율 영상화는 도 15b에 도시된 바와 같이 수지상 내부에 일부 미세 나노미터 크기의 입자(<100 nm)를 추가로 나타냈다. 이들 입자의 화학적 조성은 SEM에서 EDS를 사용하여 분해되기에는 너무 작기 때문에 확인될 수 없었다.The as-sprayed powder exhibited a pure dendritic structure for all alloys. Figure 15a illustrates a cross-sectional view of a particle of Alloy C. High-magnification imaging additionally revealed some fine nanometer-sized particles (<100 nm) inside the dendrites, as shown in Figure 15b. The chemical composition of these particles could not be determined because they were too small to be resolved using EDS in SEM.

인쇄 후, 결정립 대비를 쉽게 인식할 수 있도록, 후방 산란 모드(BSE)의 SEM에서 특성화 전에 큐브를 연마하고 가볍게 에칭하였다. 전면 및 상부 면에 따른 이미지는 빌드 방향에 따른 명백한 주상 구조를 보여주는 도 16에 도시되어 있다.After printing, the cubes were polished and lightly etched before characterization in an SEM in backscatter mode (BSE) to allow easy recognition of grain contrasts. Images along the front and top sides are shown in Figure 16, showing the apparent columnar structure along the build direction.

전면의 추가 조사 시, 샘플에서 이의 형태 및 위치를 특징으로 하는 2개의 상이한 카테고리의 침전물이 합금에서 형성되는 것이 관찰되었다:Upon further examination of the front surface, it was observed that two different categories of precipitates were formed in the alloy, characterized by their shape and location in the sample:

1. 용융 푸울 경계에 위치한 침전물1. Sediment located at the boundary of the melt pool

2. 결정립/아결정립계에 위치한 침전물 2. Precipitates located at grain/sub-grain boundaries

용융 푸울 경계에 위치한 침전물은 도 17에 도시되어 있으며, 여기서 이들 침전물은 2개의 전형적인 크기를 갖는다는 것을 알 수 있다: 구형 형태 및 <100 nm의 평균 크기를 갖는 더 작은 것; 크기가 200 내지 500 nm인 더 큰 것들.The precipitates located at the melt pool boundary are shown in Figure 17, where it can be seen that these precipitates have two typical sizes: a spherical shape and a smaller one with an average size of <100 nm; The larger ones are 200 to 500 nm in size.

두 번째 카테고리의 침전물은 결정립/아결정립(셀)계에서 형성되는 것들이었다. 이들의 형상은 200 내지 400 nm의 길이 및 작은 직경(<50 nm)을 갖는 막대형이었다. 침전물은 도 18에 매우 명확하게 나타나 있다.The second category of precipitates were those that formed in grain/subgrain (cell) systems. Their shape was rod-like with a length of 200-400 nm and a small diameter (<50 nm). The sediment is very clearly visible in Figure 18.

그 자체로 결정립/아결정립계를 따라 정렬하는 이차 상 입자는 셀형의 응고를 시사하는 것으로 추정된다. 입자는 응고 동안 이들 경계를 따라 형성되어, 셀형 응고 구조를 야기할 수 있다.By itself, secondary phase particles aligned along grain/subgrain boundaries are assumed to be indicative of cellular solidification. Particles may form along these boundaries during solidification, resulting in a cellular solidification structure.

도 19는 이들 세 가지 유형의 침전물의 EDS 포인트 스캔에 기반한 요약을 보여준다. EDS는 침전물의 부피와 비교하여 SEM의 전자 빔에 의해 발생된 X-선 상호작용 부피로 인해 더 작은 입자에 대해 훨씬 더 큰 확산을 갖는다. 그러나, 이를 보상하기 위해, 일관된 결과를 얻기 위해 고해상도에서 더 많은 수의 포인트 스캔(>25)을 수행하였다.Figure 19 shows a summary based on EDS point scans of these three types of deposits. EDS has much greater diffusion for smaller particles due to the X-ray interaction volume generated by the electron beam of the SEM compared to the volume of sediment. However, to compensate for this, a larger number of point scans (>25) were performed at high resolution to obtain consistent results.

결과는 더 작은 용융 푸울 경계 및 아결정립계 침전물이 매트릭스 농도보다 Mn이 더 풍부하다는 것을 보여주었지만, 이들이 Al12Mn(준안정) 또는 Al6Mn(안정) 중 하나일 것인지가 지시될 수 없었다. 그러나, 더 큰 용융 푸울 경계 침전물은 Al6Mn 화학량론에 가까운 것으로 나타났다.The results showed that the smaller melt pool boundary and subgrain boundary precipitates were richer in Mn than the matrix concentration, but could not indicate whether these would be either Al 12 Mn (metastable) or Al 6 Mn (stable). However, the larger melt pool boundary precipitates appear to be close to the Al 6 Mn stoichiometry.

분무 시 및 인쇄 시 상태의 이차 상 입자의 크기, 형태 및 화학을 나타낸 후, 매트릭스의 화학 조성을 SEM에서 EDS 화학 분석을 사용하여 평가하였다. 매트릭스는 일반적으로 용융 푸울 경계 또는 결정립/아결정립계에서 형성된 나노미터 입자를 제외하고 고용체 중의 원소로 과포화되는 것으로 관찰되었다. 분무된 상태(A-A) 및 인쇄된 상태(A-P)의 모든 합금의 매트릭스에 대한 EDS 분석은 표 9에 요약되어 있다. 합금 조성에서, 나머지는 알루미늄이다.After illustrating the size, morphology and chemistry of the secondary phase particles as sprayed and as printed, the chemical composition of the matrix was evaluated using EDS chemical analysis in SEM. The matrix was generally observed to be supersaturated with elements in solid solution, with the exception of nanometer particles formed at melt pool boundaries or grain/subgrain boundaries. The EDS analysis of the matrices of all alloys in the sprayed (A-A) and printed (A-P) states is summarized in Table 9. In the alloy composition, the remainder is aluminum.

표 9: 분무된 상태(A-A) 및 인쇄된 상태(A-P) 조건에서 4개의 모든 Al-합금에 대한 EDS를 통한 화학 조성Table 9: Chemical composition via EDS for all four Al-alloys in sprayed (A-A) and printed (A-P) conditions.

때때로, 용융 푸울의 일부는 정제된 결정립 구조를 갖는 것으로 나타났다. 이러한 효과는 도 20b)에서 합금 D에 대해 제시된다. 패싯 구조 또는 수지상-유사 구조를 갖는 소수의 Zr-함유 입자가 또한 인쇄 시 상태에서 관찰되었다(도 21 참조). 이들 구조물의 크기는 규모에 따라 다르다는 점에 유의한다. 큰 패싯 입자의 형성은 명확하지 않고, 둘 모두의 침전물의 평균 조성은 표 10에 나타나 있으며, 표 10에는 도 21(a)(b)의 합금 C 및 D에서 볼 수 있는 패싯 Al-Zr 구조에서 EDS에 따른 겉보기 조성이 나타나 있다. Occasionally, a portion of the melt pool was found to have a refined grain structure. This effect is shown for alloy D in Figure 20b). A few Zr-containing particles with faceted or dendritic-like structures were also observed in the as-printed state (see Figure 21). Note that the size of these structures varies depending on the scale. The formation of large faceted grains is not clear, and the average composition of both precipitates is shown in Table 10, which shows that in the faceted Al-Zr structure seen in alloys C and D in Figure 21(a)(b). The apparent composition according to EDS is shown.

표 10: 겉보기 침전물 조성Table 10: Apparent sediment composition

실험적 고찰Experimental considerations

특정 Al-합금의 LPBF-인쇄에서 흔한 응고 균열이 본 연구에서 다루어졌다. 이러한 문제는 본 발명의 합금 조성물이 응고 동안 분리되기 쉽지 않은 원소를 포함하도록 함으로써 해결되었다.Solidification cracking, which is common in LPBF-printing of certain Al-alloys, was addressed in this study. This problem was solved by ensuring that the alloy composition of the present invention contains elements that are not prone to separation during solidification.

이러한 연구는 2개의 3원 및 2개의 4차 변형예를 포함하는 신규한 알루미늄 합금 패밀리를 도입한다. 합금 조성은 레이저-기반 분말층 융합을 사용할 때 적층 제조 동안 발생하는 빠른 응고 및 재용융에 의해 제공되는 독특한 가공 조건을 이용하도록 설계되었다.This study introduces a new aluminum alloy family comprising two ternary and two quaternary variants. The alloy composition was designed to take advantage of the unique processing conditions provided by the rapid solidification and remelting that occurs during additive manufacturing when using laser-based powder bed fusion.

이들 합금 설계 원리는 ThermoCalc 소프트웨어를 사용하여 합금 응고의 예측을 따른다. 이는 응고 균열을 완전히 막기 위한 간단한 경로를 가능하게 하였다. 합금 설계의 기초는 과포화 고용체에서 더 많은 양의 용질을 함유할 수 있는 알루미늄 합금을 개발하는 것이며, 이는 이후 이차 상 침전물 강화와 통합된 고용체 강화를 통해 고강도를 달성하는 데 사용될 수 있다.These alloy design principles follow the prediction of alloy solidification using ThermoCalc software. This enabled a simple route to completely prevent solidification cracking. The basis of alloy design is to develop aluminum alloys that can contain higher amounts of solute in supersaturated solid solution, which can then be used to achieve high strength through solid solution strengthening integrated with secondary phase precipitate strengthening.

이들 합금은 인쇄된 상태의 조건 하에 최대 523 K에서 경화에 저항성이 있는 것으로 나타나므로 고온 적용에 적합할 것으로 예상된다. 미세경도 결과는 678 K에서의 시효 시, 평균 경도가 인쇄된 상태의 조건에서 105 HV로부터 잠재적인 피크 시효 조건에서 130 HV까지 이동한다는 것을 보여주었다.These alloys have been shown to be resistant to hardening at up to 523 K under as-printed conditions and are therefore expected to be suitable for high temperature applications. Microhardness results showed that upon aging at 678 K, the average hardness moves from 105 HV at as-printed conditions to 130 HV at potential peak aging conditions.

응고 균열은 응고가 발생함에 따라 액체에서 농도 구배의 이동으로부터 발생하는 것으로 나타날 수 있고, 이에 따라 최종 액체에서 더 높은 용질 함량을 초래하여, 이러한 액체가 응고될 때 더 높은 부피 수축을 야기한다. 이들 균열은 응고하는 결정립 사이에 형성되고 여러 결정립에 걸쳐 있을 수 있다. 이는 최소 온도 구배가 있음을 의미하며, 따라서 2개의 결정립계를 따라 결합하고 균열 형성을 막는 데 이용 가능한 우수한 양의 액체 금속을 보장한다. Scheil 응고 곡선에 따라, 이와 관련하여 개발된 신규한 Al-합금에 대한 응고 균열 감수성은 상당히 감소되는 것으로 나타났다. 실험 설계는 이러한 내균열성을 뒷받침하였고, 따라서 제작된 모든 샘플은 인쇄 시 상태에서 균열이 없는 것으로 나타났다.Solidification cracks can appear to arise from shifting concentration gradients in the liquid as solidification occurs, thereby resulting in a higher solute content in the final liquid, resulting in higher volumetric contraction when such liquid solidifies. These cracks form between solidifying grains and may span multiple grains. This means that there is a minimum temperature gradient, thus ensuring a good amount of liquid metal available to bond along the two grain boundaries and prevent crack formation. According to the Scheil solidification curve, the solidification cracking susceptibility for the new Al-alloy developed in this regard was found to be significantly reduced. The experimental design supported this crack resistance, so all samples produced were shown to be crack-free in as-printed condition.

LPBF 가공은 금속 분말의 박층(보통 20 내지 40 μm)의 빠른 용융 및 응고로 인해 더 높은 냉각 속도를 수반하며, 이는 103 내지 105 K/s 범위의 냉각 속도를 초래한다. 이는 합금 설계자에게 AM 가공 동안 Al-매트릭스에서 원소의 더 높은 과포화를 가정할 기회를 제공한다.LPBF processing involves higher cooling rates due to the rapid melting and solidification of thin layers (usually 20 to 40 μm) of metal powder, resulting in cooling rates in the range of 103 to 105 K/s. This provides alloy designers with the opportunity to assume a higher supersaturation of elements in the Al-matrix during AM processing.

합금화 원소, 및 조성은 알루미늄 합금의 고용체로의 전이 금속 원소의 이점이 유리하게 사용된 급속 응고 물질에 대해 수행된 연구에 기초하여 선택되었다.The alloying elements, and compositions, were selected based on studies performed on fast solidifying materials in which the benefits of transition metal elements into solid solutions of aluminum alloys were used to advantage.

EDS 결과는 용융 푸울 경계에 가깝게 보이는 층의 응고(아결정립계 침전물) 및 재용융 동안 형성된 작은 침전물을 제외하고는 거의 모든 Mn 및 Cr이 매트릭스에 용해됨을 보여준다. 이러한 침전량은 당 분야에 공지된 다른 합금에 비해 놀랍게도 작다.EDS results show that almost all Mn and Cr are dissolved in the matrix, except for small precipitates formed during solidification (subgrain boundary precipitates) and remelting of the layers visible close to the melt pool boundary. This amount of precipitation is surprisingly small compared to other alloys known in the art.

가공 동안 응고 전면을 따라 층의 재용융 및 분리의 효과가 항상 존재하기 때문에, 이차 침전물의 형성은 인쇄 시 상태에서 완전히 방지될 수 없으며, Mn, Cr을 함유하는 나노미터 상이 관찰되었다. 당 분야에서, 결정립계를 따른 Mn의 분리는 다른 저자에 의해 빠르게 응고되는 나노결정질 Al-Mn 기반 합금에서 실험적으로 나타났으며, 이는 또한 더 높은 농도의 Mn이 Al-매트릭스와 5-배 대칭을 갖는 Al6Mn에 가까운 조성을 갖는 준안정 상인 '유사결정(quasicrystalline)' 상의 형성을 야기한다는 것을 시사한다.Since the effect of remelting and separation of layers along the solidification front is always present during processing, the formation of secondary precipitates cannot be completely prevented in the as-printed state, and nanometric phases containing Mn, Cr were observed. In the art, segregation of Mn along grain boundaries has been shown experimentally by other authors in fast-solidifying nanocrystalline Al-Mn-based alloys, which also show that higher concentrations of Mn have 5-fold symmetry with the Al-matrix. This suggests that it leads to the formation of a 'quasicrystalline' phase, a metastable phase with a composition close to Al 6 Mn.

합금의 인쇄된 상태의 버전에서의 강도는 고용체 강도와 침전물 강화의 혼합인 것이 제안된다. 나노메트릭 침전물은 전위의 움직임을 제한하는 데 도움이 되며, 이들의 비교적 작은 크기는 매트릭스를 강화하는 데 보다 효율적이 되는 것을 돕는 데 도움이 된다.It is suggested that the strength of the printed version of the alloy is a mix of solid solution strength and precipitate strengthening. Nanometric precipitates help restrict the movement of dislocations, and their relatively small size helps them become more efficient in strengthening the matrix.

이전에 언급된 바와 같이, 결정립/아결정립계 침전물의 조대화 및 새로운 나노미터 Ll2Al3Zr 침전물의 핵형성/성장이 균형을 이룸으로써 시효 후 훨씬 더 높은 강도가 달성될 수 있다.As previously mentioned, much higher strengths can be achieved after aging by balancing the coarsening of grain/subgrain boundary precipitates and the nucleation/growth of new nanometric Ll 2 Al 3 Zr precipitates.

Mn, Cr을 함유하는 나노메트릭 침전물의 일부는 유사결정 또는 유사결정의 전구체일 수 있기 때문에, 이들의 형성을 제어하고 이들이 안정한 사방정계 Al6Mn 상을 형성하는 것을 방지하기 위해 열시효 처리가 개발될 필요가 있다.Since some of the nanometric precipitates containing Mn and Cr may be pseudocrystals or precursors of pseudocrystals, heat aging treatments were developed to control their formation and prevent them from forming the stable orthorhombic Al 6 Mn phase. needs to be

AlxMn 침전물 및 Al3Zr 침전물에 의한 이러한 새로운 합금 패밀리의 강화는 2개의 침전물 사이의 경쟁 메커니즘인 것으로 가정될 수 있으며, 경도 및 잠정적 강도 값을 적절하게 조정하기 위해 추가 조사 및 개발이 필요하다. 유리하게는, 합금의 인쇄된 상태의 버전은 523 K에서 24시간까지 시효에 대해 저항성이다.Strengthening of this new family of alloys by Al . Advantageously, the as-printed version of the alloy is resistant to aging at 523 K for up to 24 hours.

마무리 코멘트Closing comment

본 발명은 예시의 목적으로 상세히 설명되었지만, 이러한 세부사항은 단지 그러한 목적을 위한 것이며, 청구된 주제를 실시함에 있어서 도면, 개시, 및 첨부된 청구범위의 연구로부터 당업자에 의해 변형이 이루어질 수 있음이 이해된다.Although the invention has been described in detail for purposes of illustration, such details are for that purpose only and it is understood that modifications may be made by those skilled in the art from a study of the drawings, disclosure, and appended claims in practicing the claimed subject matter. I understand.

도면에 도시된 구현예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하는 것으로 해석될 수 없음이 이해되어야 한다. 달리 지시되지 않는 한, 도면은 명세서와 함께 판독(예를 들어, 크로스-해칭, 부분의 배열, 비율, 정도 등)되도록 의도되고, 본 개시의 기재된 설명 전체의 일부로 간주되어야 한다.It should be understood that the embodiments shown in the drawings are for illustrative purposes only and should not be construed as limiting the invention. Unless otherwise indicated, the drawings are intended to be read in conjunction with the specification (e.g., cross-hatching, arrangement of parts, proportions, scale, etc.) and are to be considered a part of the entire written description of the disclosure.

청구항에서 사용되는 용어 "포함하는"은 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않는다. 청구항에서 사용되는 부정관사 "a" 또는 "an"은 복수를 배제하지 않는다. 단일 프로세서 또는 다른 유닛은 청구범위에 인용된 여러 수단의 기능을 수행할 수 있다. 청구범위에 사용된 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.As used in the claims, the term "comprising" does not exclude other elements or steps. The indefinite article “a” or “an” used in the claims does not exclude plurality. A single processor or other unit may perform the functions of several means recited in the claims. Reference signs used in the claims should not be construed as limiting the scope.

Claims (12)

중량 기준으로 하기의 총 예비-합금 Al-기반 분말로 이루어진 적층 제조에 적합한 예비-합금 Al-기반 분말:
3 내지 5.5 중량%의 Mn,
0.2 내지 2 중량%의 Zr,
0.2 내지 1.4 중량%의 Cr,
0 내지 2 중량%의 Mg,
총 최대 0.7 중량%의 Fe와 Si,
최대 0.7 중량%의 불가피한 불순물로서의 0, 및 최대 0.5 중량%의 추가의 불가피한 불순물,
나머지 Al.
Pre-alloyed Al-based powders suitable for additive manufacturing consisting of the following total pre-alloyed Al-based powders by weight:
3 to 5.5% by weight Mn,
0.2 to 2% by weight Zr,
0.2 to 1.4% Cr by weight,
0 to 2% by weight Mg,
Fe and Si totaling up to 0.7% by weight,
0 as unavoidable impurities up to 0.7% by weight, and additional unavoidable impurities up to 0.5% by weight,
The rest of Al.
제1항에 있어서, Zr의 함량이 0.3 내지 1.8 중량%인, 예비-합금 Al-기반 분말.2. Pre-alloyed Al-based powder according to claim 1, wherein the Zr content is 0.3 to 1.8% by weight. 제1항 또는 제2항에 있어서, Cr의 함량이 0.3 내지 1.4 중량%인, 예비-합금 Al-기반 분말.3. Pre-alloyed Al-based powder according to claim 1 or 2, wherein the Cr content is 0.3 to 1.4% by weight. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, Fe와 Si의 총 함량이 최대 0.2 중량%인, 예비-합금 Al-기반 분말.4. Pre-alloyed Al-based powder according to any one of claims 1 to 3, wherein the total content of Fe and Si is at most 0.2% by weight. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 예비-합금 Al-기반 분말이 의도적으로 첨가된 Mg를 함유하지 않는, 예비-합금 Al-기반 분말.5. The pre-alloyed Al-based powder according to any one of claims 1 to 4, wherein the pre-alloyed Al-based powder does not contain intentionally added Mg. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 20℃ 미만의 식 (1)에 따른 응고 균열 감수성 지수 S를 갖는, 예비-합금 Al-기반 분말.6. Pre-alloyed Al-based powder according to any one of claims 1 to 5, having a solidification cracking susceptibility index S according to equation (1) of less than 20°C. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 입자의 10% 미만이 명시된 입도 범위 밖에 있는, ISO 13320-1 1999에 따라 레이저 회절에 의해 측정하는 경우 10 내지 53 μm의 입도 범위를 갖는, 예비-합금 Al-기반 분말.7. The particle size range of 10 to 53 μm as measured by laser diffraction according to ISO 13320-1 1999, wherein less than 10% of the particles are outside the specified particle size range. Pre-alloyed Al-based powder. 적층 제조에 의해 물품을 제조하는 방법으로서,
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 예비-합금 Al-기반 분말을 제공하는 단계;
- 상기 예비-합금 Al-기반 분말의 층을 증착시켜 분말층을 형성시키는 단계;
- 레이저 또는 전자-빔에 의해 미리 결정된 패턴에 따라 상기 예비-합금 Al-기반 분말을 가열하여 결합될 입자를 융합 또는 용융시키는 단계;
- 상기 융합 또는 용융된 입자를 냉각시키는 단계;
- 적층 제조된 물품이 형성될 때까지 증착, 가열 및 냉각 단계를 반복하는 단계;
- 상기 제조된 물품을 회수하는 단계
를 포함하는, 방법.
A method of manufacturing an article by additive manufacturing, comprising:
- providing a pre-alloyed Al-based powder according to any one of claims 1 to 7;
- depositing a layer of said pre-alloyed Al-based powder to form a powder layer;
- heating the pre-alloyed Al-based powder according to a predetermined pattern by laser or electron-beam to fuse or melt the particles to be bonded;
- cooling the fused or molten particles;
- repeating the deposition, heating and cooling steps until an additively manufactured article is formed;
- Recovering the manufactured article
Method, including.
제8항에 있어서, 열처리가 후속되는, 방법.9. The method of claim 8, followed by heat treatment. 제9항에 있어서, 열처리가 제조된 물품을 공기 분위기에서 적어도 0.5 시간의 기간 동안 150 내지 450℃의 온도로 가열하는 것을 포함하는, 방법.10. The method of claim 9, wherein the heat treatment comprises heating the manufactured article to a temperature of 150 to 450° C. for a period of at least 0.5 hours in an air atmosphere. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 예비-합금 Al-분말의 용융 융합 공정에 의해 형성된 물품.An article formed by a melt fusion process of pre-alloyed Al-powder according to any one of claims 1 to 7. 제11항에 따른 예비-합금 Al-분말의 열 융합 공정에 의해 형성된 물품으로서, 상기 용융 융합 공정이 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 것인, 물품.
An article formed by a thermal fusion process of a pre-alloyed Al-powder according to claim 11, wherein the melt fusion process is according to any one of claims 8 to 10.
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